Постоянные запоминающие устройства

•Выбор всей строки ЗЭ производится при подаче логического нуля на линию адреса ЛАi c соответствующего выхода дешифратора. В выбранный ЗЭ записывается логический 0 при наличии диода на пересечении линии Di и ЛАi, т.к. в этом случае замыкается

цепь: + 5 В, резистор, диод, земля на адресной линии. Так, при подаче адреса 112 активный нулевой сигнал появляется на адресной линии ЛА3, на ней будет уровень логического 0, на шине данных D7 … D0 появится информация 011000112.

Масочные ПЗУ на основе матрицы МОП- транзисторов:

Запись информации осуществляется подключением или неподключением МОП- транзистора в соответствующих точках БИС. При выборе определенного адреса на соответствующей адресной линии ЛАi появляется активный сигнал логической 1, т.е. потенциал, близкий к потенциалу источника питания + 5 В.

Данная логическая 1 подается на затворы всех транзисторов строки и открывает их. Если сток транзистора металлизирован, на соответствующей линии данных Di появляется потенциал порядка 0,2 … 0,3 В, т.е. уровень логического 0. Если же сток транзистора не металлизирован, указанная цепь не реализована, на резисторе Ri не будет падения напряжения, т.е. в точке Di будет потенциал +5 В – уровень логической 1. Например, если на входы адреса подать код 012, на линии адреса ЛА1 будет активный уровень 1, а на шине данных D3 … D0 будет

код 00102.

Постоянные запоминающие устройства

•ППЗУ (PROM) представляют собой такие же диодные или транзисторные матрицы, как и масочные ПЗУ, но с иным исполнением ЗЭ. Диодный ЗЭ на рисунке. Доступ к нему обеспечивается подачей логического 0 на линию адреса ЛАi. Запись информации в него производится в результате расплавления плавких вставок ПВ, включенных последовательно с диодами, эмиттерами биполярных транзисторов, стоками МОП-транзисторов. Плавкая вставка ПВ представляет собой небольшой участок металлизации (нихром) или аморфного поликремния, который разрушается (расплавляется) при программировании импульсами тока величиной 50 … 100 микроампер и длительностью порядка 2 миллисекунд. Если вставка сохранена, то в ЗЭ записан логический 0, поскольку реализована цепь между источником питания и землей на ЛАi через диод (в транзисторных матрицах – через открытый транзистор). Если вставка разрушена, то указанной цепи нет и в ЗЭ записана логическая 1. Восстановление расплавленных перемычек невозможно.

Несмотря на кажущуюся надежность такого решения, эта технология оказалась весьма капризной. Металлические перемычки при программировании образовывали капли и пары металла, которые оседали обратно на кристалл в самых неожиданных местах с соответствующими неприятными последствиями. Поликремниевые перемычки имеют способность к самовосстановлению за счет миграции атомов. По этой причине микросхемы после программирования требовалось выдерживать длительное время при высокой температуре с целью выявления потенциальных дефектов этого типа.

В конечном итоге память на пережигаемых перемычках была вытеснена в большинстве применений решениями на транзисторах с плавающим затвором (EPROM, EEPROM и флеш-памятью).

Постоянные запоминающие устройства

•РПЗУ выпускаются двух типов: ИМС с записью электрическими сигналами и стиранием ультрафиолетовым излучением- РПЗУ-УФ (EPROM) и ИМС с записью и стиранием электрическими сигналами - РПЗУ-ЭС (EEPROM).

•Эти типы ИМС отличаются устройством, принципом действия и режимами работы. Общими же свойствами являются: возможность многократного программирования (от 100 до 10 тысяч циклов), способность сохранять информацию при отсутствии питания несколько тысяч часов, необходимость значительного времени на программирование.

•Запоминающими элементами современных РПЗУ являются транзисторы типов МНОП и ЛИЗМОП (МОП – транзисторы с лавинной инжекцией заряда).

•МНОП-транзистор (металл-нитрид кремния-оксид кремния-полупроводник) отличается от обычного МОП- транзистора двухслойным диэлектриком, отделяющим затвор от подложки p-типа и индуцированного канала n-типа.

На поверхности p-подложки расположен тонкий слой двуокиси кремния SiO2, далее более толстый слой нитрида кремния Si3N4 и затем уже затвор. Тонкая пленка SiO2 толщиной не более 5 нм "прозрачна" для электронов. Если

приложить между затвором и подложкой положительное напряжение, достаточное для возникновения туннельного перехода электронов через тонкий слой SiO2, то они проходят через него и скапливаются на границе

раздела слоев. Образующийся отрицательный заряд и является носителем информации, хранимой МНОП-транзистором.

Постоянные запоминающие устройства

•Для МНОП-транзистора с n-каналом отрицательный заряд на границе раздела слоев сужает канал и повышает пороговое напряжение – Uпор0, при котором транзистор отпирается. При этом пороговое напряжение возрастает настолько, что рабочие напряжения на затворе Uзи_раб транзистора не в состоянии его открыть. Транзистор, в котором заряд отсутствует, легко открывается рабочим значением напряжения. Так осуществляется хранение бита в МНОП: одно из состояний трактуется как отображение логической единицы, другое — нуля.

•При программировании ЗУ используются относительно высокие напряжения, около 20 В. После снятия высоких напряжений туннельное прохождение носителей заряда через диэлектрик прекращается и заданное транзистору пороговое напряжение остается неизменным.

•После 104...106 перезаписей МНОП-транзистор перестает устойчиво хранить заряд. РПЗУ на МНОП-транзисторах энергонезависимы и могут хранить информацию десятками лет. Перед новой записью старая информация стирается записью нулей во все запоминающие элементы. Тип ЗУ — РПЗУ-ЭС (EEPROM).

•Транзисторы типа ЛИЗМОП всегда имеют так называемый плавающий затвор, который может быть единственным или вторым, дополнительным к обычному (управляющему) затвору. Транзисторы с одним плавающим затвором используются в ЗУ типа РПЗУ-УФ, а транзисторы с двойным затвором пригодны для применения как в РПЗУ-УФ, так и в РПЗУ-ЭС.

Постоянные запоминающие устройства

•Принцип работы ЛИЗМОП с двойным затвором близок к принципу работы МНОП-транзистора — здесь также между управляющим затвором и областью канала помещается область, в которую при программировании можно вводить заряд, влияющий на величину порогового напряжения транзистора. Только область введения заряда представляет собою не границу раздела слоев диэлектрика, а окруженную со всех сторон диэлектриком проводящую область (обычно из поликристаллического кремния или металла), в которую, как в ловушку, можно ввести заряд, способный сохраняться в ней в течение очень длительного времени. Эта область и называется плавающим затвором.

•При подаче на управляющий затвор импульса положительного напряжения относительно большой амплитуды 20...25 В в обратно смещенных р-n переходах возникает лавинный пробой, область которого насыщается электронами. Часть электронов, имеющих энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера диэлектрической области, проникает в плавающий затвор. Снятие высокого программирующего напряжения восстанавливает обычное состояние областей транзистора и запирает электроны в плавающем затворе, где они могут находиться длительное время (многие годы).

•Заряженный электронами плавающий затвор увеличивает пороговое напряжение транзистора настолько, что в диапазоне рабочих напряжений проводящий канал в транзисторе не создается. При отсутствии заряда в плавающем затворе транзистор работает в обычном режиме.

•Стирание информации может производиться двумя способами — ультрафиолетовым облучением или электрическими сигналами. В первом случае корпус ИС 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.

•Операция стирания информации этим способом занимает десятки минут, информация стирается сразу во всем кристалле. В схемах с УФ-стиранием число циклов перепрограммирования существенно ограничено, т. к. под действием ультрафиолетовых лучей свойства материалов постепенно изменяются. Число циклов перезаписи обычно 10...100.

•Электрическое стирание информации осуществляется подачей на управляющие затворы низкого (нулевого) напряжения, а на стоки — высокого напряжения программирования.

Постоянные запоминающие устройства

•Электрическое стирание имеет преимущества: можно стирать информацию не со всего кристалла, а выборочно (индивидуально для каждого адреса). Длительность процесса "стирание-запись" значительно меньше, сильно ослабляются ограничения на число циклов перепрограммирования (допускается 104...106 таких циклов).

•Флэш-память (Flash-Memory) по типу запоминающих элементов и основным принципам работы подобна памяти типа EEPROM, однако ряд архитектурных и структурных особенностей позволяют выделить ее в отдельный класс.

•SLC и MLC

•Различают устройства, в которых элементарная ячейка хранит один бит информации и несколько бит. В однобитовых ячейках различают только два уровня заряда на плавающем затворе. Такие ячейки называют одноуровневыми (single-level cell, SLC). В многобитовых ячейках различают больше уровней заряда; их называют многоуровневыми (multi-level cell, MLC). MLC-устройства дешевле и более ёмки, чем SLC-устройства, однако имеют более высокое время доступа и примерно на порядок меньшее максимальное количество перезаписей.

•Обычно под MLC понимают память с 4 уровнями заряда (2 бита) на каждую ячейку. Более дешёвую в пересчёте на объём память с 8 уровнями (3 бита) называют TLC (Triple Level Cell) или 3bit MLC (так называет ее Samsung). Существуют также устройства с 16 уровнями на ячейку (4 бита), QLC (quad-level cell). В августе 2018 года Samsung Electronics объявил о начале массового производства твердотельных накопителей SSD на памяти QLC V-NAND.

•NOR и NAND

•Флеш-память различается методом соединения ячеек в массив.

•Конструкция NOR использует классическую двумерную матрицу проводников, в которой на пересечении строк и столбцов установлено по одной ячейке. При этом проводник строк подключался ко второму затвору, а столбцов — к стоку транзистора. Исток подключался к общей для всех подложке.

Постоянные запоминающие устройства

•Каждый столбец представляет собою совокупность параллельно соединенных транзисторов (структура ИЛИ-НЕ). Разрядные линии выборки находятся под высоким потенциалом. Все транзисторы невыбранных строк заперты. В выбранной строке открываются и передают высокий уровень напряжения на разрядные линии считывания те транзисторы, в плавающих затворах которых отсутствует заряд электронов, и, следовательно, пороговое напряжение транзистора имеет нормальное (не повышенное) значение.

•Конструкция NAND — трёхмерный массив. В основе та же самая матрица, что и в NOR, но вместо одного транзистора в каждом пересечении устанавливается столбец из последовательно включенных ячеек (структура И-НЕ). В такой конструкции получается много затворных цепей в одном пересечении. Плотность компоновки можно резко увеличить, однако алгоритм доступа к ячейкам для чтения и записи заметно усложняется.

Технология NOR позволяет получить быстрый доступ индивидуально к каждой ячейке, однако площадь ячейки велика. Наоборот, NAND имеют малую площадь ячейки, но относительно длительный доступ сразу к большой группе ячеек. Соответственно, различается область применения: NOR используется как непосредственная память программ микропроцессоров и для хранения небольших вспомогательных данных.

NAND чаще всего применяется для USB-флеш-накопителей, карт памяти, накопителей SSD, NOR — во встраиваемых системах.

Оперативные запоминающие устройства

•Статические ОЗУ (СОЗУ, SRAM) обладают высоким быстродействием и поэтому находят применение в кэш – памяти и быстродействующих системах обработки информации.

•Запоминающими элементами статических ОЗУ являются триггеры, которые могут быть реализованы по различным интегральным технологиям: биполярной ( ТТЛ, ТТЛШ), n-МОП, КМОП и др. Наиболее широкое применение получили статические ОЗУ, выполненные по технологии n-МОП и КМОП. Эти структуры являются основой создания БИС ОЗУ большой информационной емкости. Присущий же МОП-структурам основной недостаток – низкое быстродействие – устраняется по мере уменьшения топологических норм технологического процесса.

•Типичная ячейка статической двоичной памяти (двоичный триггер) на транзисторах КМОП-технологии состоит из двух инверторов, охваченных петлей положительной обратной связи, и ключевых транзисторов для обеспечения доступа к ячейке.

https://ru.wikipedia.org/wiki/SRAM_(%D0%BF%D0%B0%D 0%BC%D1%8F%D1%82%D1%8C)

Линия Ai управляет двумя транзисторами доступа VT5 и VT6. Линии РШ0j и РШ1j — разрядные шины, используются и для записи данных, и для чтения данных.

В режиме хранения информации на адресную шину Аi подается сигнал низкого уровня, а на разрядные шины сигнал высокого уровня. Поэтому транзисторы VT5 и VT6 закрыты и состояние триггера не влияет на потенциалы разрядных шин.

Оперативные запоминающие устройства

•Режим чтения. При подаче высокого уровня на линию Аi открываются транзисторы VT5 и VT6. Уровни, записанные в триггере, выставляются на линии РШ0j и РШ1j и попадают на схемы чтения.

•В режиме записи на адресную шину Аi подается сигнал высокого уровня, открываются транзисторы VT5 и VT6.

•При записи 1 в ЗЭ на PШ1j подается сигнал высокого, а на PШ0j низкого уровней. При этом транзистор VT2 открывается, VT1 закрывается; VT4 закрывается, VT3 открывается. В этом состоянии выход левого инвертора

– низкий, выход правого инвертора – высокий.

•При записи 0 в ЗЭ на PШ0j подается сигнал высокого уровня, а на PШ1j - низкого. При этом VT2 закрывается, VT1 открывается; VT4 открывается, VT3 закрывается. В этом состоянии выход левого инвертора – высокий, выход правого инвертора – низкий, то есть состояние ЗЭ меняется на противоположное.

•Динамические ОЗУ (ДОЗУ, DRAM). В них данные хранятся в виде зарядов емкостей МОП-структур. Основой ЗЭ является конденсатор небольшой емкости. Такой ЗЭ значительно проще триггерного, содержащего 6 транзисторов, что позволяет разместить на кристалле намного больше ЗЭ (в 4...5 раз) и обеспечивает динамическим ОЗУ максимальную емкость. В то же время конденсатор неизбежно теряет со временем свой заряд, и хранение данных требует их периодической регенерации (через несколько миллисекунд).

В последнее время практически всегда применяют однотранзисторные ЗЭ. Ключевой МОП-транзистор с индуцированным каналом отключает запоминающий конденсатор Cз от линии записи-считывания ЛЗС или подключает его к ней.