14.2. Интегральные микросхемы ис пзу
Постоянные запоминающие устройства предназначены для хранения постоянной или редко меняющейся информации: таблиц, функций, констант, управляющей информации. Информация в ПЗУ сохраняется при отключении источника питания.
ПЗУ создаются на основе полупроводниковых БИС. Ячейки памяти в ПЗУ представляют не триггеры, как в ОЗУ, а ключи. Накопитель ПЗУ обычно выполняется в виде двух параллельных систем перекрещивающихся шин, в точках перекрещивания которых либо есть, либо отсутствует соединяющий их элемент. Наличие соединения может означать, например, «1», а его отсутствие — «0». Микросхемы ПЗУ имеют словарную организацию, поэтому информация из них считывается в виде n-разрядного двоичного кода (слова).
Совокупность элементов памяти, в которых размещаются отдельные разряды этого слова, называется ячейкой памяти. При этом каждая ячейка имеет свой m-разрядный адрес, так что общее число ячеек в микросхеме равно 2т, а информационная емкость микросхемы составляет п х 2т бит. Чаще всего в качестве элементов памяти используют ключи на биполярных или МОП-транзисторах либо диоды.
По способу занесения информации микросхемы ПЗУ подразделяют на три группы:
-масочные ПЗУ (ПЗУМ), однократно программируемые изготовителем по способу фотошаблона (маски);
-ПЗУ, однократно программируемые пользователем (ППЗУ) в специальных устройствах — программаторах;
-репрограммируемые ПЗУ (РПЗУ), допускающие многократное программирование пользователем.
Программирование масочного ПЗУ заключается в формировании на одной из завершающих технологических операций схемы необходимых соединений (задание состояния ключей) по заранее изготовленному шаблону. Это иллюстрирует участок матрицы (рис.14.7, а), в которой наличие контакта эмиттера транзистора с шиной условно показано зачерненным кружком. Легко видеть, что при поступлении на адресную шину Xi, сигнала выборки на шинах Yj-1 , и Yj+l будет присутствовать высокий потенциал, поступающий от источника питания через открытые ключи, а на Yj — низкий, так как ключ VTj не имеет соединения с шиной.
На рис. 14.7,б приведён элемент ППЗУ на многоэмиттерном транзисторе с пережигаемыми перемычками при программировании пользователем.
а)
б)
Рис. 14.7
Один из вариантов организации ПЗУ со структурой 32x8 (32 слова по 8 разрядов в каждом) изображен на рис 14.8. Здесь выборка нужного слова производится дешифратором номера строки, а вход стробирования V разрешает считывание восьмиразрядного слова с выходов Q1...Q8.
Рис. 14.8
Основным элементом, используемым для обеспечения хранения информации, является перемычка на определенном участке электрической цепи. Действительно, при наличии перемычки возникает цепь для протекания тока (состояние лог. 1); при отсутствии перемычки цепь для протекания тока отсутствует (состояние лог. 0). Процесс организации перемычек называется программированием ПЗУ.
В ПЗУ запись информации (программирование) происходит заранее, вне вычислительного устройства с применением дополнительных технологических операций, таких как напыление перемычек или их разрушение на специальной установке, называемой программатором. Поэтому процесс программирования ПЗУ сводится к нескольким вариантам.
1. При изготовлении масочных ПЗУ (ПЗУМ) на заводе изготовителе производится нанесение перемычек в нужных участках схемы с помощью фотошаблонов — масок, которые делают по заказу пользователя микросхемы. Этот способ программирования является самым дешевым и предназначен для крупносерийного производства. ПЗУМ изготавливают по ТТЛ, ТТЛШ, п-,p-канальной МОП и КМОП-технологиям.
2. ПЗУ, программируемые пользователем (ППЗУ), отличаются тем, что микросхема поступает пользователю с полным набор возможных перемычек, и пользователь программирует (пережигает) перемычки на специальных установках в соответствии со своими задачами. ППЗУ могут быть изготовлены по ТТЛШ, И2Л, n-МОП, ЭСЛ и КМОП-технологиям.
3. Перепрограммируемые ПЗУ, или репрограммируемые ПЗУ (РПЗУ) позволяют многократно изменять хранимую информацию
Однократно программируемые ПЗУ
Как правило, ПЗУ организовано по словарному принципу, и перемычки представляют собой ряд, образующий ячейку памяти. Следовательно, все запоминающие элементы ряда, образующие ячейку памяти, должны иметь ключи доступа, в качестве которых выступают диоды или транзисторы, выполненные по различным технологиям. Например, в эмиттерной цепи биполярного транзистора находится перемычка, обеспечивающая протекание тока в транзисторе (рис.14.9, а). В схеме диодного ПЗУ (рис. 14.9, б) ток протекает только при наличии перемычки в цепи адресная шина (АШ) — диод — перемычка — разрядная шина (РШ).
В приведенных примерах ПЗУ наличие перемычек или их отсутствие можно запрограммировать любым способом.
Рассмотрим процессы, происходящие при считывании.
а)
б)
Рис. 14.9
В схеме на рис. 14.9, а показано ПЗУ на основе многоэмиттерного транзистора (МЭТ). При подаче необходимого адресного сигнала обращения к выбранной ячейке на базу выбранного транзисторного ключа поступает отпирающее напряжение, в результате чего в зависимости от наличия перемычек в эмиттерных цепях транзистора и соответственно в выходных разрядных шинах будет присутствовать или отсутствовать ток, что воспринимается как считанные лог. 1 или лог. 0.
Схемы ПЗУ на основе диодных матриц работают аналогично схемам с использованием транзисторных ключей. При возбуждении адресной шины токи появляются только в тех разрядных шинах, в цепи диодов которых есть перемычки.
Схема ПЗУ на МОП-транзисторах работает аналогично и представлена на рис. 14.10. При адресном обращении лог. 0 будет считываться только с тех разрядных шин, которые через МОП-транзистор и соответствующую ему перемычку соединены с общей шиной. В остальных случаях с разрядных шин считывается лог. 1.
Рис. 14.10
На рис. 14.11 приведен пример программирования ПЗУМ на основе МОП-транзистора с тонким и толстым слоями диэлектрика.
Рис. 14.11
ЗЭ накопителя выполняется на МОП-транзисторе с тонким или толстым слоем диэлектрика под затвором в зависимости от того, какая информация должна храниться в нем. Запись информации в ПЗУМ на МОП-транзисторах производится с помощью сменного,
заказного фотошаблона. В соответствии с заказом осуществляется наращивание слоя диэлектрика. ПЗУ организовано аналогично схеме, показанной на рис. 14.8. При обращении по адресу на адресную шину соответствующего слова подается напряжение 4...5 В, при котором в МОП-транзисторе с тонким слоем диэлектрика образуется канал, соединяющий области истока и стока, а в транзисторе с толстым слоем диэлектрика такой канал не образуется. Истоки всех транзисторов подсоединены к корпусу, поэтому в соответствующих разрядных шинах будут считываться лог. 0. В МОП-транзисторах с толстым слоем диэлектрика под затвором канал образуется при пороговом напряжении порядка 30 В, т.е. напряжения на затворе порядка 5 В недостаточно для образования канала, что соответствует отсутствию транзистора. Поэтому при обращении к данному слову в соответствующем разряде будет считан высокий уровень напряжения источника питания — лог. 1.
Репрограммируемые ПЗУ
Существенный недостаток БИС полупроводниковых ПЗУ заключается в том, что программирование в них возможно только один раз. При необходимости коррекции информации, хранимой в ПЗУ, например при отладке программ или уточнении задачи, решаемой ЭВМ, возникает необходимость в частичной замене БИС ПЗУ. Эти проблемы можно решить, применив репрограммируемые ПЗУ (РПЗУ), способные не только практически бесконечно долго хранить информацию при отключении питания (энергонезависимые РПЗУ), но и при необходимости допускающие запись новой информации электрическим способом. Считывание хранимой в РПЗУ информации осуществляется обычно за сотни наносекунд, а стирание старой информации и последующая запись новой требуют гораздо больше времени. По способу стирания информации различают РПЗУ со стиранием ультрафиолетовыми лучами (РПЗУ-УФ) и РПЗУ с электрическим стиранием (РПЗУ-ЭС). В РПЗУ-УФ в качестве запоминающего элемента используется МОП-транзистор с одним так называемым плавающим затвором или чаще МОП-транзистор с двойным затвором — плавающим и управляющим. В РПЗУ-ЭС используется МОП-транзистор с двойным затвором или транзистор со структурой металл-нитрид кремния (Si3N4)—диоксид кремния SiО2 —полупроводник (МНОП-транзистор). Структура МОП-транзисторов с плавающими затворами (рис. 14.12 и 14.13) характеризуется наличием проводящего слоя (обычно из кристаллического кремния), расположенного над областью канала изолированного от остальных областей транзистора диоксидом кремния SiO2.
Рис. 14.12
Принцип работы этих приборов основан на лавинном пробое p-n-перехода (сток- подложка) при подаче на сток достаточно большого обратного напряжения (15... 30 В). При этом у прибора с двойным затвором на управляющий затвор подается достаточно высокое напряжение той же полярности (см. рис. 7).
Рис. 14.13
Электроны, попадая на плавающий затвор, оказываются как бы в ловушке и после снятия напряжения со стока и управляющего затвора (у МОП-транзисторов с двойными затворами) могут сохраняться в нем в течение длительного времени (в высококачественных приборах многие годы).
На рис. 14.14 показаны кривые, характеризующие состояния n-МОП-транзистора: исходное (1) и после записи информации (2). Наличие электронов на плавающем затворе n-МОП-транзистора значительно увеличивает его пороговое напряжение по сравнению с n-МОП-транзистором, у которого нет или очень мало таких электронов.
Рис. 14.14
Для того чтобы исключить накопление заряда на плавающем затворе и обеспечить малое значение порогового напряжения n-МОП-транзистора, при его программировании на сток прибора с одним плавающим затвором не подается напряжение обратного смещения перехода сток—подложка (программирующее напряжение). Для этой цели у прибора с двойным затвором высокое напряжение подается только на управляющий затвор. Стирание информации (заряды на плавающем затворе) у МОП-транзистора с одним плавающим затвором может производиться только ультрафиолетовым облучением, а у МОП-транзистора с двойным затвором — и ультрафиолетовым облучением, и электрическими сигналами. Для стирания информации ультрафиолетовым облучением кристалла корпус микросхемы имеет специальное прозрачное окошко. Лучи вызывают в области плавающего затвора транзистора фототоки и тепловые токи, что делает эти области проводящими и приводит к стеканию заряда с плавающего затвора в подложку. Стирание информации происходит сразу на всем кристалле, но для выполнения этой операции требуется достаточно большое время (десятки минут). В РПЗУ-УФ число операций стирания при перепрограммировании ограничено (10... 100 для отечественных микросхем), так как под действием ультрафиолетовых лучей свойства материалов в кристалле постепенно изменяются. РПЗУ-УФ с запоминающим элементом в виде прибора с двойным затвором используются гораздо чаще, так как в запоминающем элементе на МОП-транзисторе с одним плавающим затвором необходимы дополнительный МОП-транзистор для считывания информации (рис. 14.15) и большее значение программирующего напряжения.
Рис. 14.15
Использование в РПЗУ приборов с двойными затворами позволяет осуществлять выборочное электрическое стирание информации не на всем кристалле, а только в подлежащих перепрограммированию запоминающих элементах. Электрическое стирание информации осуществляется подачей высокого напряжения программирования только на управляющий затвор. При электрическом способе процесс стирания происходит гораздо быстрее, а число циклов перепрограммирования увеличивается до 104...106. Кроме того, для перепрограммирования не требуется извлекать микросхему из устройства, в котором она работает. Поэтому БИС РПЗУ-ЭС постепенно вытесняют БИС РПЗУ-УФ, хотя количество запоминащих элементов в последних пока еще несколько больше из-за более простой структуры управления.
МНОП-транзистор (рис. 14.16) отличается от обычного МОП-транзистора наличием под затвором двух слоев диэлектрика: слоя оксида кремния (SiO2) толщиной примерно 0,005 мкм, нанесенного на поверхность кристалла, и поверх него слоя нитрида кремния (Si3N4) толщиной 0,1 мкм. На границе диэлектрических слоев возникают центры захвата заряда, куда благодаря туннельному эффекту через тонкий слой SiO2 при достаточной для его возникновения напряженности электрического поля между затвором и подложкой могут проходить носители заряда и скапливаться на границе этих слоёв. Меняя направленность электрического поля, можно создать заряд любого знака на границе диэлектрических слоев.
Рис. 14.16
В МНОП-транзисторе с p-каналом положительный заряд увеличивает его пороговое напряжение настолько, что рабочее напряжение на затворе прибора не в состоянии его открыть. Транзистор, в котором заряд отсутствует или имеет другой знак, легко открывается рабочим значением напряжения. Так осуществляется хранение 1 бита информации в МНОП-транзисторе: одно из состояний трактуется как отображение лог. 1, другое — как лог. 0.
В режиме стирания (см. рис. 14.16, а) — записи большого значения порогового напряжения — затвор заземляется, а на подложку подается положительный импульс амплитудой 20...30 В. Стирание может осуществляться также подачей отрицательного импульса напряжения амплитудой 20... 30 В на управляющий затвор. В режиме программирования — записи малого значения порогового напряжения — на затвор р-МНОП-транзистора подается положительное напряжение (см. рис. 14.16, б) при заземленных выводах подложки стока и истока. В режиме считывания на затвор прибора подается напряжение, находящееся между этими двумя значениями пороговых напряжений.
Микросхемы ПЗУ
Фирмами-производителями цифровых микросхем выпускается немало самых разнообразных ПЗУ и ППЗУ. Различаются микросхемы постоянной памяти своим объемом (от 32 байт до 8 Мбайт и более), организацией (обычно количество разрядов данных бывает 4, 8 или 16), способами управления (назначением управляющих сигналов), типами выходных каскадов (обычно ОК или 3С), быстродействием (обычно задержка составляет от единиц до сотен наносекунд). Но суть всех микросхем ПЗУ остается одной и той же: имеется шина адреса, на которую надо подавать код адреса нужной ячейки памяти, имеется шина данных, на которую выдается код, записанный в адресуемой ячейке, и имеются входы управления, которые разрешают или запрещают выдачу информации из адресуемой ячейки на шину данных.
Рис.
14.17
На рис. 14.17 представлены для примера несколько простейших и типичных микросхем постоянной памяти. Микросхема К155РЕ3 (аналог — N8223N) представляет собой однократно программируемое ППЗУ с организацией 32 х 8. Исходное состояние (до программирования) — все биты всех ячеек нулевые. Для программирования (записи информации) используется специальный программатор, подающий на разряды данных импульсы высокого напряжения. Тип выходных каскадов — открытый коллектор, то есть обязательно надо включать на выходах резисторы, подсоединенные к шине питания. Имеется один управляющий вход –CS, при положительном уровне сигнала на котором на всех выходах устанавливаются единицы. Микросхема КР556РТ4 (аналог — I3601) — это также однократно программируемая постоянная память с организацией 256х4. Исходное состояние (до программирования): все биты всех ячеек нулевые. Тип выходных каскадов — ОК. Два управляющих входа -CS1 и –CS2 объединены по принципу И, то есть для разрешения работы микросхемы (для перевода выходов в активное состояние) оба эти сигнала должны быть нулевыми. Для записи информации в микросхему используется программатор. Одним из наиболее распространенных способов введения информации в ППЗУ является принцип плавкого предохранителя, когда для образования необходимой комбинации лог.0 или лог.1 производится выжигание дозированным током, например нихромовых соединений между матричными элементами микросхемы. ППЗУ на биполярных транзисторах программируется следующим образом: все эмиттеры транзисторов соединены с разрядными шинами плавкими перемычками; в местах, где должен быть записан лог. 0, через эмиттеры пропускают импульс тока, достаточный для разрушения плавкой перемычки. В процессе выжигания перемычек на адресные входы последовательно подаются адреса, а на разрядные выходы подаются импульсы пережигания в соответствии с заданной таблицей истинности.
Рассмотрим
БИС ПЗУ КР556РТ4 информационной емкостью
1024 бита (256
4), которая представлена на рис. 14.18, а.
Условное
графическое обозначение этой схемы
показано на рис. 14.18, б.
Рис. 14.18
На рис. 14.19 дана ее упрощенная организация. Такие ПЗУ могут применяться в микропроцессорных системах с обработкой данных в размере байта.
Рис. 14.19
Транзисторы матрицы включены по схеме эмиттерного повторителя; 32 шины металлизации проходят поперек 32 МЭТ над эмиттерами. Вскрытие окна к эмиттеру МЭТ (подключение к шине металлизации) соответствует записи лог. 1, отсутствие окна (неподключение к шине металлизации) — записи лог. 0.
Матрица содержит 32 МЭТ с 32 эмиттерами каждый. Эмиттеры и включенные в их цепь перемычки разделены на четыре группы, каждая из которых содержит восемь одноразрядных слов. Таким образом, в первой группе находятся восемь слов первого разряда, во второй -второго разряда, в третьей — третьего разряда, в четвертой
— четвертого разряда. Для обращения к такому объему памяти и выбору одного из 32 МЭТ необходим дешифратор строк на пять входов и 32 выхода. При адресной выборке будет производиться обращение к одному из 32 МЭТ, т. е. к восьми четырехразрядным словам. Чтобы на выход поступило только одно четырехразрядное слово, необходимо осуществить выбор по одному ЗЭ из каждой разрядной группы. Для этой цели используются селекторы CL0...CL3, каждый из которых представляет собой восемь ключей. Замыкание одного из ключей в каждой группе происходит под воздействием управляющего сигнала с выхода дополнительного дешифратора, на вход которого поступают три младших разряда адреса, после чего считанная информация проходит на усилители считывания.
Усилители считывания предназначены для преобразования уровней сигналов, считываемых с матрицы ЗЭ, в уровни, требуемые для работы схемы на внешнюю нагрузку. Схема разрешения выборки запрещает обращение к разрядной группе, если хотя бы на один из ее входов (CS1)` или (CS2)` подано напряжение высокого уровня, соответствующее лог.1. С помощью этой схемы происходит стробирование усилителей считывания. Если выборка запрещена, то на выходах усилителей считывания образуется напряжение высокого уровня. При программировании микросхемы код адреса подается на разные входы А0...А7, а данные — на выходы DO0...DO3. Запись лог. 1 в соответствующие разряды осуществляется через элементы программирования (E0...E3) путем пережигания перемычек.
Микросхема КР556РТ18 (аналог — HM76161) также является однократно программируемым ППЗУ и имеет организацию 2Кх8. Тип выходов микросхемы — 3С. Имеются три управляющих входа: один инверсный –CS1, два других — прямые CS2 и CS3, объединенных по функции И. Выходы данных переходят в активное состояние при нулевом уровне на –CS1 и при единичных уровнях на CS2 и CS3. Если входы управления используются для подачи управляющих сигналов (то есть выходы могут переходить в третье состояние), то на выходы надо включать нагрузочные резисторы, подключенные к шине питания. Исходное состояние микросхемы (до программирования) — все биты всех ячеек в единице. Наконец, микросхема К573РФ8 (аналог — I27256) — это пример памяти РПЗУ с ультрафиолетовым стиранием информации. Чтобы перепрограммировать память, необходимо ее стереть, для чего в течение некоторого времени (обычно несколько минут) надо облучать микросхему через окошко в корпусе ультрафиолетовым светом (можно использовать медицинский кварцевый облучатель). Стертая микросхема имеет все биты, установленные в единицу. Затем проводится процедура записи с помощью программатора, несколько отличающегося от программаторов однократно программируемых микросхем. Управляющие входы –CS и –CE должны быть установлены в нуль для перевода выходов микросхемы в активное состояние. Имеется специальный вход UPR для подачи программирующего высокого напряжения, который при чтении информации из микросхемы надо подключать к напряжению питания. Тип выходных каскадов — 3С. Микросхемы этого типа самые медленные, их задержки самые большие.
Основные временные характеристики микросхем ПЗУ — это две величины задержки. Задержка выборки адреса памяти — время от установки входного кода адреса до установки выходного кода данных. Задержка выборки микросхемы — время от установки активного разрешающего управляющего сигнала CS до установки выходного кода данных памяти. Задержка выборки микросхемы обычно в несколько раз меньше задержки выборки адреса.