Динамические и статические оперативные запоминающие устройства. Разновидности постоянных запоминающих устройств.

Запоминающие устройства предназначены для записи, хранения и считывания двоичной информации. В состав запоминающего устройства (ЗУ) входят: матрица-накопитель и функциональные узлы, необходимые для управления матрицей-накопителем, усиления сигналов при записи и считывании, обеспечения режима синхронизации. Все эти элементы расположены на одном полупроводниковом кристалле.

На рис. 3.1 показана структура ЗУ, в которой матрица-накопитель состоит из 32 элементов памяти (M), объединенных в 4 строки по 8 элементов в каждой. Элементы, расположенные на одной строке, образуют ячейку памяти, способную запомнить один байт информации. Выбор ячейки, к которой происходит обращение, происходит при передаче адреса в дешифратор DX по шине A. Записью и считыванием управляют соответственно сигналы WR и RD, воздействующие на шинные формирователи DG

Рис. 3.1

Запоминающие устройства делятся на две группы: постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) и оперативные запоминающие устройства (ОЗУ).

ПЗУ (по-английски ROM - Read Only Memory, что переводится как память только для считывания) используются только для считывания ранее записанной информации. В ПЗУ обычно хранятся стандартные программы, необходимые для выполнения арифметических или логических операций. Важным свойством ПЗУ является сохраняемость информации при выключении питания. По способу записи информации ПЗУ подразделяются на масочные (ПЗУМ), программируемые (ППЗУ) и репрограммируемые (РПЗУ).

ОЗУ (по-английски RAM - Random Access Memory, что переводится как память с произвольной выборкой) предназначены для быстрого попеременного ввода и вывода информации. В ОЗУ обычно хранятся промежуточные данные в процессе выполнения арифметических или логических операций.

Элементы памяти ОЗУ подразделяются на статические и динамические. ЭП статического типа хранят информацию сколь угодно долго пока включен источник питания. В ЭП динамического типа информация хранится ограниченное время; в этих элементах предусматривается восстановление (регенерация) информации.

Элементы памяти ОЗУ статического типа. В качестве элементов памяти ОЗУ статического типа используются триггеры. В микросхемах, производимых по полупроводниковой технологии, проще всего реализуются транзисторы, поэтому разработчики стремятся исключить из принципиальных схем все резисторы и конденсаторы. Несмотря на то, что триггер может быть построен на двух транзисторах (но тогда понадобились бы резисторы!), в интегральной схеме статического ЗУ он состоит из четырех. На рис. 3.2 представлена схема элемента памяти на МДП-транзисторах, состоящая из триггера (VT₁ - VT₄) и управляющих транзисторов VT₅ и VT₆.

Рис. 3.2

Элементы памяти динамического типа. Принцип действия элементов памяти динамического типа основан на хранении информации в виде накопленных электрических зарядов на паразитных емкостях МДП -транзисторов. На рис. 3.3 представлена схема однотранзисторного элемента памяти. В этой схеме электрический заряд хранится в запоминающем конденсаторе Cz, включенном между истоком и подложкой МДП-транзистора. В режиме записи на линию X подается положительный импульс напряжения, в результате

Рис. 3.3

чего в транзисторе индуцируется канал и конденсатор Cz оказывается подключенным к линии данных Y. В режиме хранения информации конденсатор Cz постепенно разряжается вследствие существования токов утечки. Поэтому необходимо периодическое восстановление заряда конденсатора, что осуществляется путем регенерации (восстановления) заряда. С этой целью через каждые несколько миллисекунд происходит считывание информации с элемента памяти, и запись ее на прежнее место.

Масочные ПЗУ. В качестве элементов памяти масочных ПЗУ используются диодные или транзисторные структуры, образующие матрицу, подобную той, что изображена на рис. 3.1. На заключительном этапе изготовления ИМС с помощью маски, изготовленной методом фотолитографии, формируются связи между линиями выбора адреса X и линиями данных Y. Если маской предусмотрено наличие связи между определенными линиями X и Y, то при обращении к соответствующей ячейке памяти потенциал будет передан с линии X на линию Y, что эквивалентно считыванию логической единицы. При отсутствии связи будет считываться логический ноль.

Поскольку процесс программирования масочных ПЗУ происходит при изготовлении самих микросхем и содержит технологически сложные операции, применение таких запоминающих устройств экономически оправданно только при условии заказа десятков или сотен тысяч экземпляров одинаково запрограммированных микросхем.

Программируемые ПЗУ. Отличие программируемых ПЗУ от масочных состоит в том, что программирование осуществляется не производителем микросхем, а изготовителем аппаратуры. К устройствам этого класса относятся однократно программируемые ПЗУ и репрограммируемые, т.е. допускающие многократное стирание ранее записанной информации и многократную запись новой. В настоящее время ПЗУ первого типа почти не используются , поскольку функционально они уступают репрограммируемым и уже не могут конкурировать с последними по цене.

В качестве элементов памяти в РПЗУ используют МДП-транзисторы с плавающим затвором. Такие транзисторы помимо основного управляющего затвора, соединенного с адресной линией X, содержат второй затвор, размещенный между управляющим затвором и подложкой (рис. 3.4). Этот дополнительный затвор не имеет внешних выводов и называется плавающим. Оба затвора выполнены из сильнолегированного поликремния и отделены один от другого слоем двуокиси кремния.

Рис. 3.4

В режиме программирования логической единицы на основной затвор подается высокий потенциал, обеспечивающий проникновение электронов с высокой энергией в область плавающего затвора. В результате этого плавающий затвор приобретает отрицательный заряд. Поскольку плавающий затвор со всех сторон окружен диэлектриком, то заряд затвора сохраняется длительное время (несколько лет). Наличие или отсутствие заряда затвора влияет на величину порогового напряжения МДП-транзистора. Если отрицательный заряд отсутствует, то пороговое напряжение невелико . Если же заряд существует, то пороговое напряжение возрастает в неколько раз. В режиме считывания линия данных Y подключается к усилителю считывания, а на линию X подается напряжение, достаточное для открытия транзистора лишь при условии отсутствия заряда плавающего затвора.

В ранних моделях репрограммируемых ПЗУ стирание информации (удаление электронов из плавающего затвора) осуществлялось путем облучения кристалла ультрафиолетовыми лучами, под действием которых электроны приобретают энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера на границе между кремнием и окисью кремния. Для обеспечения возможности стирания, корпуса микросхем имели специальное окно со вставкой из кварцевого стекла, пропускающего ультрафиолетовые лучи.

Описанный способ хранения информации нельзя признать совершенным. Процесс записи протекает сравнительно медленно (около 1 мс) и связан с большими энергетическими затратами по преодолению потенциального барьера между кремнием и окислом кремния. Более совершенным является способ проникновения электронов в плавающий затвор с помощью туннелирования из подложки через диэлектрик. Условием реализации этого способа является уменьшение толщины диэлектрика между затвором и подложкой. Туннелирование электронов через диэлектрик - процесс двухсторонний, и его можно использовать как для заряда, так и разряда плавающего затвора. На этом эффекте основана работа наиболее распространенных на сегодняшний день электрически программируемых и стираемых FLASH-ПЗУ.