Полупроводниковые запоминающие устройства

В цифровых системах используются внешние и внутренние запоминающие устройства (ЗУ). Внешние ЗУ реализуют на жестких магнитных (hard drive), интегрально-полупроводниковых (флэш-диски), оптических и магнитооптических дисках (CD, DVD). Внутренние ЗУ в основном – полупроводниковые – предназначены для хранения промежуточных данных и программ обработки данных. Внутренние ЗУ делятся на оперативные ЗУ и постоянные ЗУ.

Оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) характеризуются возможностью быстрого ввода/вывода (записи/считывания) информации в виде двоичных чисел в свою любую отдельную ячейку. Поэтому синонимом ОЗУ является память с произвольной выборкой (RAM–Random Access Memory).

Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) в отличие от ОЗУ используются в основном для считывания записанной в них информации. Запись же осуществляется либо “раз и навсегда”, либо относительно редко. Этот класс ЗУ в зарубежной литературе называют ROM (Read–Only Memory – память только для считывания).

Существует также значительное количество ПЗУ с возможностью многократной записи в них информации – перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ).

1. Структура микросхем памяти

Полупроводниковые ОЗУ, ПЗУ состоят из двух основных частей: накопителя и схемы управления, или периферии. Накопитель – это основная часть ПЗУ, где хранятся данные (двоичные коды). Периферия предназначена для ввода и вывода этих данных. В нее входят дешифраторы, усилители, регистры, разного рода ключевые схемы, коммутаторы и другое.

Накопитель состоит из элементов памяти (ЭП), каждая из них хранит один бит информации. Основу ЭП составляют бистабильные ячейки, основным свойством которых является наличие двух устойчивых состояний – 0, 1.

На рис. 57 представлена типичная структура запоминающего устройства с матричной организацией.

Рис. 57. Структура микросхемы ОЗУ

На приведенной схеме используются следующие сокращения:

ДШ_х, ДШ_у – адресные дешифраторы строк и столбцов;

ФЗС – формирователь сигналов записи/считывания;

СУ – схема управления;

АШ_х, РШ – адресные и разрядные шины;

DI, DO – шины записи и считывания соответственно;

БК – буферный каскад.

Накопитель представляет собой прямоугольную матрицу ЭП, содержащую n_x строк и n_y столбцов. Емкость накопителя N = n_x · n_y. Каждый ЭП подключен к адресным (АШ) и разрядным (РШ) шинам. Выбор необходимого ЭП осуществляется путем подачи определенной комбинации адресных переменных (A_m … A₁, A₀). Адресные дешифраторы строк (ДШ_x) и столбцов (ДШ_y) формируют сигналы выборки на соответствующих АШ, которые определяют строку и столбец накопителя, в котором расположен выбираемый ЭП. Таким образом, m адресных входов позволяют выбирать один из N = 2^m элементов памяти.

Режим работы микросхемы определяется сигналами выбора микросхемы (CHIP SELECT) и записи-считывания (WRITE/READ). При подаче низкого потенциала на вход выбора схема управления (СУ) разрешает формирование сигналов выборки на АШ_x. Если при этом сигнал на входе , то СУ формирует управляющий сигнал, при котором ФЗС обеспечивает запись в выбранном ЭП информации, поступающей на вход DI. Выход DO в этом случае находится в отключенном состоянии. Если сигнал , то СУ переключает ФЗС в режим считывания, при котором информация из выбранного ЭП передается на выход DO, при этом состояние входа DI не влияет на работу микросхемы.

При микросхема находится в режиме хранения, т. е. состояние ЭП не меняется при любых сигналах на входах (A_m … A₀), DI, . Выход DO находится в отключенном состоянии.

Типовые временные диаграммы, иллюстрирующие работу микросхем памяти, приведены на рис. 58.

Рис. 58. Временные диаграммы работы микросхем памяти с произвольной выборкой

Адресные сигналы A и сигнал обычно устанавливаются на входах микросхемы до поступления сигнала .

Микросхемы, предназначенные только для считывания информации, не содержат узлов, отвечающих за ее запись.

Запоминающие устройства с произвольной выборкой служат для оперативного запоминания информации и способны хранить ее только при включенном питании. По принципу действия различают статические и динамические ОЗУ. Элементом памяти статических ОЗУ (SRAM) служат триггеры, которые могут быть реализованы по любой технологии. В динамических ОЗУ (DRAM) носителем информации является емкость между затвором МОП-транзистора и корпусом, которая может быть заряжена или разряжена.

2. Элементы памяти БИС ОЗУ, ПЗУ

Элементы памяти статистического ОЗУ.

ЭП биполярного ОЗУ представляет собой асинхронный RS-триггер, построенный из двух логических элементов И-НЕ, выполненных на двух двухэмиттерных транзисторах.

ЭП подключен к двум разрядным линиям РЛ “0” и РЛ “1” и адресной линии АЛ. В зависимости от комбинации напряжений на этих линиях ЭП может работать в режимах хранения, записи и считывания информации.

Если, например, транзистор Т1 открыт, то низкий потенциал его коллектора подается на базу транзистора Т2 и поддерживает его закрытое состояние. Высокий потенциал коллектора закрытого Т2, в свою очередь, поддерживает открытое состояние транзистора Т1. В состоянии хранения по линии адреса АЛ поддерживается низкий потенциал.

Пусть ЭП хранит нуль 0, если Т2 закрыт, а Т1 – открыт. Тогда для записи единицы 1 необходимо одновременно подать высокие уровни в линии АЛ и РЛ “0” и низкий уровень в линию РЛ “1”. Тогда транзистор Т1 закрывается, а Т2 – открывается. Для считывания информации в адресную линию АЛ подается высокий уровень. При этом в транзисторе, находящемся в открытом состоянии, происходит перераспределение токов эмиттеров, и большая часть тока будет течь в разрядной линии РЛ “1”, если считывается 1, или в РЛ “0” – если считывается 0.

Биполярные SRAM обладают наивысшим быстродействием, однако по сравнению с SRAM, выполненными по МОП-технологиям, имеют значительно меньшую емкость и большее энергопотребление. Это объясняется тем, что МОП-транзистор занимает в несколько раз меньшую площадь на кристалле, чем биполярный, и потребляет меньший ток. Последние достижения МОП-технологий обеспечивают приближение МОП ЗУ по быстродействию к биполярным.

Наименьшим энергопотреблением отличаются ЗУ, выполненные на комплементарных МОП-транзисторах (КМОП-технология). В ЭП КМОП-типа транзисторы Т1 и Т2 имеют каналы p-типа, а транзисторы Т3 – Т6- каналы n-типа.

В результате потребляемая мощность в режиме хранения определяется токами утечки каналы n- и p-переходов. В режиме переключения требуется значительно бульшая мощность, так как при этом ток протекает через оба приоткрытых транзистора Т1, Т4 и Т2, Т5. Однако, расходуемая мощность КМОП ЗУ на порядок меньше, чем у биполярных.

Элемент памяти динамического ОЗУ.

Накопитель занимает большую часть площади кристалла микросхем памяти, поэтому для увеличения их информационной емкости необходимо уменьшать размеры ЭП. Это достигается при использовании динамического способа хранения информации в виде заряда, накопленного на паразитной емкости. Обычно динамические ЭП реализуются на МДП-транзисторах, так как при этом обеспечивается достаточно длительное время хранения информации (приблизительно 10 миллисекунд) без ее регенерации.

Один из вариантов трех-транзисторного динамического ЭП с раздельными шинами для записи и считывания показан на рис. 61. Информация хранится в виде заряда емкости C_З ≈ 0,1 пф. В процессе записи от РЛ_З при разрешающем высоком потенциале на АЛ_З через открытый транзистор Т2 заряжается емкость C_З до потенциала РЛ_З, соответствующего U⁰ или U¹. По окончании сигнала адреса на АЛ_З транзистор Т2 запирается и ЭП переходит в режим хранения информации.

Считывание информации производится на разрядной линии РЛ_сч, находящейся под высоким потенциалом U¹, при подаче на адресную линию считывания АЛ_сч высокого потенциала, которым открывается транзистор Т3. Если ЭП находится в единичном состоянии (C_З заряжена до потенциала до U¹), то транзистор Т1 также будет открыт и потенциал разрядной линии снизится до потенциала U⁰. Если емкость C_З была заряжена до потенциала U⁰, то транзистор Т1 будет находиться в закрытом состоянии и потенциал РЛ_сч останется неизменным, т. е. равным U¹.

Чтобы избежать потери информации из-за уменьшения с течением времени заряда емкости C_З, производится его периодическая регенерация (восстановление).

В режиме регенерации сигналы выборки подаются на обе адресные линии АЛ_сч и АЛ_З. Сигналы, считанные с выхода каждого ЭП выборкой строки, через усилители-регенераторы подаются на их входы, и восстанавливают потенциал емкости до первоначальной величины. Так одновременно производится регенерация информации в одной из строк накопителя.

Для выполнения полной регенерации необходимо на адресные входы последовательно подать адреса всех строк. Для большинства микросхем регенерацию необходимо производить с частотой порядка десятков-сотен герц.

Еще меньшую площадь на кристалле занимает однотранзисторный ЭП (рис. 62).

Хранение информации осуществляется на емкости C_З, а транзистор Т1 выполняет роль ключа выборки, который открывается высоким потенциалом адресной линии АЛ. При записи в РЛ подается потенциал U⁰ или U¹, в зависимости от поступающего на микросхему сигнала: DI = 1 или 0. Такой же потенциал устанавливается на емкости C_З и сохраняется на ней после окончания выборки, когда транзистор Т1 закрыт. Сохранность информации при считывании обеспечивается усилителем-регенератором, который устанавливает в РЛ промежуточный опорный потенциал U_оп, значение которого U¹ > U_оп > U⁰. Когда транзистор Т1 открывается сигналом АЛ, опорное напряжение увеличивается до U_сч⁰ (если C_З заряжена до U⁰). Обычно , поэтому усилитель-регенератор усиливает считываемые сигналы U_сч⁰ и U_сч¹ до заданного уровня и восстанавливает первоначальный заряд на C_З.

Динамические микросхемы памяти обеспечивают наиболее высокую информационную емкость при достаточно хороших значениях других параметров. Однако, необходимость регенерации информации усложняет структуру ЗУ на их основе и требует дополнительных временных затрат. Современные динамические микросхемы памяти имеют внутреннюю регенерацию, которая реализуется в промежутках времени между выборками.

Элементы памяти ПЗУ (РПЗУ).

Основное требование к такой ячейке – сохранение информации при отключенном питании. Рассмотрим схему однотранзисторной ЗЯ для биполярного ПЗУ.

В эмиттерной цепи транзистора предусмотрена плавкая перемычка (П), которая в необходимых случаях может разрушаться при первоначальном программировании.

При обращении к ЗЯ по адресной линии в случае неразрушенной перемычки в РЛ будет протекать эмитерный ток транзистора. В случае разрушенной перемычки ток протекать не будет.

Элемент памяти ПЗУ может быть выполнен и на МОП-транзисторах. Однако биполярные ПЗУ имеют более высокое быстродействие (время обращения 20…60 нс), но и большую рассеиваемую мощность, чем ПЗУ на МОП-транзисторах (время обращения 200…600 нс).

Репрограммируемые ПЗУ в настоящее время выполняются двух типов. В РПЗУ первого типа матрица элементов памяти изготавливается аналогично матрице ПЗУ на основе МОП-транзисторов, но у которых между металлическим затвором и слоем изолирующего окисла осаждается тонкий слой нитрида кремния (МНОП-транзисторы). Нитрид кремния способен захватывать и сохранять длительное время (до 10 лет и более) электрический заряд. В исходном состоянии транзистор имеет высокое напряжение открывания (10…15)В, которое понижается до рабочих уровней после зарядки слоя нитрида кремния. Чтобы зарядить слой нитрида кремния, на затвор МНОП-транзистора подается высоковольтный программирующий импульс, по амплитуде в несколько раз превышающий рабочие уровни напряжений (15…20)В. При подаче сигнала на адресную линию, подключенную к затворам транзисторов, происходит открывание только заряженных транзисторов. Таким образом, наличие заряда приводит к тому, что ЭП хранит 0, а его отсутствие – 1.

Для стирания записанной информации, т.е. удаления заряда захваченного слоем нитрида кремния, на затвор МНОП-транзистора необходимо подать импульс напряжения противоположный, чем при записи полярности.

Другие варианты ЭП РПЗУ выполняются на МНОП-транзисторах плавающим (изолированным) затвором. Подача высокого напряжения между истоком и стоком вызывает накопление в плавающем затворе заряда, создающего проводящий канал между стоком и истоком. Стирание информации осуществляется облучением транзисторов через кварцевое окно ультрафиолетовым излучением, которое разряжает затворы транзисторов и переводит их в непроводящее состояние.

Стирание информации таким способом имеет ряд очевидных недостатков, которые отсутствуют при электрическом стирании. Для этого в транзисторе выполняется второй управляющий затвор. Однако, ввиду большой площади ЭП, микросхемы РПЗУ с электрическим стиранием имеют в 2…4 раза меньшую информационную емкость, чем микросхемы со стиранием ультрафиолетовым светом.

Параметры интегральных ЗУ.

В номенклатуру параметров ЗУ входят следующие основные величины:

Информационная емкость в битах – параметр, характеризующий степень интеграции.

Удельная мощность – общая мощность, потребляемая в режиме хранения, отнесенная к 1 биту.

Максимальная частота обращения при считывании.

Удельная стоимость одного бита информации. Этот параметр – один из определяющих при сравнительных оценках.

МОП – транзисторные ОЗУ в целом превышают биполярные по информационной емкости, удельной мощности и удельной стоимости, но уступают им по быстродействию. Минимальная удельная мощность свойственна КМОП-схемам, а минимальная стоимость – динамическим типам ОЗУ. Среди биполярных разновидностей максимальное быстродействие характерно ОЗУ в базисе ЭСЛ.

Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира