Физические механизмы работы полупроводниковых устройств памяти

Тип устройства памяти	Запоминание заряда	Метод записи	Метод считывания	Примечание
ПЗУ	Не производится	Формирование (разрушение) перемычек при изготовлении	Неразрушающий "опрос" перемычек	-
СППЗУ	На плавающем затворе транзистора ЭП	Инжекция на плавающий затвор триггера	Считывание (без изменения) напряжения на триггере	Стирание информации при освещении УФ-излучением
ЭСППЗУ	На поверхностном состоянии плавающего затвора транзистора ЭП	Туннельная инжекция	- " -	Стирание информации при инжекции заряда другого знака
СЗУПВ	В статическим триггере ЭП	Передача сигнального заряда на информац. вход	Считывание сигнального заряда (без его изменения)	-
ДЗУПВ	На ёмкости затвора транзистора ЭП	Передача сигнального за-ряда на информац. вход	Считывание сигнального заряда (с его изменением)	Необходима периодическая регенерация

 

Простейшие ПЗУ

В русском языке термин Постоянное Запоминающее Устройство(ПЗУ) используется как эквивалент английского термина ROM (Read Only Memory) – память только для чтения.

Строго говоря, к данному виду памяти можно отнести только две разновидности: Mask-ROM (Масочные ПЗУ) и PROM (Programmable ROM), или однократно Программируемые ПЗУ.

Другие типы памяти– EPROM, EEPROM, Flash-ROM – только исторически произошли от полупроводникового ROM. Однако эти виды памяти никак не могут быть ROM, поскольку ROM переводится как «память только для чтения» и ни о какой возможности перезаписи в ROM речи быть не может. Тем не менее эти типы памяти классифицируются как ROM. Небольшая неточность не обращала на себя внимания, однако с развитием технологий, когда флэш-память стала выдерживать до1 миллиона циклов перезаписи и стала использоваться как накопитель общего назначения, этот недочет в классификации на-чал бросаться в глаза. По своим функциональным характеристикам память EPROM, EEPROM и Flash относятся к классу энергонезависимой перезаписываемой памяти(английский эквивалент– NonVolatile Read-Write Memory илиNVRWM).

ROM память устроена в виде матрицы, каждая ячейка которой имеет свой адрес и может кодировать один бит информации. Данные на масочные ПЗУ записывались во время производства путем нанесения по маске(отсюда и название) алюминиевых соединительных дорожек литографическим способом. Наличие или отсутствие в соответствующем месте такой дорожки кодировало«0» или«1». Содержимое Mask-ROM после того, как она произведена, изменить невозможно. Этот подход к созданию схем является индивидуальным и для каждой новой задачи потребуется изготовление нового ПЗУ. Тем не менее преимущества такой технологии очевидны – это низкая стоимость готовой микросхемы(правда, это проявляется только при больших объемах производства), высокая скорость доступа к ячейкам памяти, а также высокая надежность готовой микросхемы и устойчивость к электромагнитным полям.

PROM (Programmable ROM), или однократно Программируемые ПЗУ. В качестве ячеек памяти в данном типе памяти использовались плавкие перемычки. В отличие от Mask-ROM, в PROM появилась возможность кодировать(«пережигать») перемычки при наличии специального программатора, что дало возможность пользователям записывать в ПЗУ любую информацию. В каждой отдельной ячейке PROM плавкая перемычка либо разрушалась(запись логического0) путем подачи достаточно высокого напряжения(значительно больше стандарт-ного напряжения питания), либо оставлялась без изменений(логиче-ская1). Возможность самостоятельной записи информации в PROM сделало их пригодными для штучного и мелкосерийного производства.

Тем не менее, PROM практически полностью вышли из употребления в конце80-х годов ХХ века.

Схема простейшего программируемого ПЗУ состоит из дешифратора n ´ 2 ⁿ и схемы ИЛИ, к входам которой через плавкие перемычки подключены выходы дешифратора

Функция DO по форме совпадает с СДНФ, т. е. с помощью ПЗУ, имеющего n адресных входов x_p, можно реализовать любую функцию n переменных.

Рис.2. Постоянное запоминающее устройство с плавкими перемычками

EPROM

В различных источниках эта аббревиатура расшифровывается по-разному. В одних случаях ее называют какErasable Programmable ROM (стираемые программируемые ПЗУ), в других– как Electrically Programmable ROM (электрически программируемые ПЗУ). Обе этих расшифровки отражают качественные отличия EEPROM. Этот тип памяти программируется электрическим сигналом, но для того, чтобы за-писать новую информацию, необходимо произвести стирание. Стирание ячеек EPROM выполняется сразу для всей микросхемы посредством облучения чипа ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами в течение нескольких минут. Микросхемы, стирание которых производится путем засвечивания ультрафиолетом, были разработаны Intel в1971 году, и носят названиеUV-EPROM (приставкаUV (Ultraviolet) – ультрафиолет). Они содержат окошки из кварцевого стекла, которые по окончании процесса стирания заклеивают.

EPROM отIntel была основана на МОП-транзисторах с лавинной инжекцией заряда(FAMOS – Floating Gate Avalanche injection Metal Oxide Semiconductor, русский эквивалент– ЛИЗМОП). В первом приближении такой транзистор представляет собой конденсатор с очень малой утечкой заряда. Позднее, в1973 году, компания Toshiba разработала ячейки на основеSAMOS (Stacked gate Avalanche injection MOS, по другой версии– Silicon and Aluminum MOS) дляEPROM памяти, а в1977 году Intel разработала свой вариант SAMOS.

В EPROM стирание приводит все биты стираемой области в одно состояние(обычно во все единицы, реже – во все нули). Запись на EPROM, как и в PROM, осуществляется при помощи специальных программаторов (они, однако, отличаются от программаторов для PROM).

Появление этого типа памяти значительно расширило возможности разработчиков. Тем не менее, EPROM свойственны некоторые недостатки – небольшое количество циклов перезаписи, невозможность стирания части хранимых данных. Кроме того, обращаться с ними было непросто– с одной стороны, существует высокая вероятность не до конца удалить имеющиеся данные, что в конечном итоге приведет к сбоям, а с другой стороны, есть вероятность передержать микросхему под ультрафиолетом, что может уменьшить срок службы микросхемы и даже привести к ее полной негодности. В настоящее время EPROM практически полностью вытеснена с рынка EEPROM и Flash.

EEPROM

(Electronically EPROM) – электрически стираемые ППЗУ были разработаны в1979 году в той же Intel. В1983 году вышел первый16 Кбит образец, изготовленный на основе FLOTOX-транзисторов(Floating Gate Tunnel-OXide – «плавающий» затвор с туннелированием в окисле).

Флэш-память является разновидностью EEPROM, но в ней используется несколько отличный от EEPROM тип ячейки-транзистора.

Главной отличительной особенностью EEPROM (в т. ч. Flash) от ранее рассмотренных нами типов энергонезависимой памяти является возможность перепрограммирования при подключении к стандартной системной шине микропроцессорного устройства. ВEEPROM появилась возможность производить стирание отдельной ячейки при помощи электрического тока. Для EEPROM стирание каждой ячейки выполняется автоматически при записи в нее новой информации, т. е. можно изменить данные в любой ячейке, не затрагивая остальные. Процедура стирания обычно существенно более длительная, чем процедура записи.

Запоминающий элемент ПЗУ

Основой данного ЗЭ является биполярный транзистор VT. База транзистора подключена к адресной линии АЛ, а эмиттер - к линии данных ЛД (рис. 3).

Рис. 3. Запоминающий элемент ПЗУ на биполярном транзисторе

Для выбора данного ЗЭ необходимо на базу транзистора подать уровень логической 1, тогда транзистор VT открыт и состояние на разрядной линии данных будет потенциал, близкий к + 5 В (отличающийся от него на величину падения напряжения на открытом транзисторе), т.е. логическая 1. Для программируемого ПЗУ, запоминающий элемент которого показан на рис. 42, при со-хранении плавкой вставки П замыкается цепь "+ 5 В; открытый транзистор VT; плавкая вставка П; ЛД, подключенная к потенциалу земли через сопротивление (на рис. 2 не показано и находится за пределами ЗЭ)". Вследствие протекания тока по данной цепи потенциал ЛД повышается почти до + 5 В, как было сказано выше. Если вставка расплавлена, ток по данной цепи не течет, на ЛД - потенциал земли, что соответствует занесению в данный ЗЭ логического нуля.

 

9. (3.6) Ячейка памяти ОЗУ динамического типа. Схема и принцип работы запоминающих элементов ОЗУ на биполярных и на полевых транзисторах.