4 ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

Для хранения информации в микропроцессорных системах используются запоминающие устройства на основе полупроводниковых материалов, а также магнитные и оптические внешние носители. Внутренняя память компьютера представлена в виде отдельных интегральных микросхем (ИМС) собственно памяти и элементов, включенных в состав других ИМС, не выполняющих непосредственно функцию хранения программ и данных – это и внутренняя память центрального процессора, и видеопамять, и контроллеры различных устройств.

Для создания элементов запоминающих устройств, в основном, применяют СБИС со структурой МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) на основе кремния (в связи с тем, что в качестве диэлектрика чаще всего используют его оксид Si02, то их обычно называют МОП (металл-оксид-полупроводник) структурами.

Для функционирования компьютерной системы необходимо наличие как оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), так и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), обеспечивающего сохранение информации при выключении питания. ОЗУ может быть статическим и динамическим, а ПЗУ однократно или многократно программируемым.

Степень интеграции, быстродействие, электрические параметры ЗУ при записи и хранении информации, помехоустойчивость, долговременная стабильность, стабильность к внешним неблагоприятным факторам при функционировании и т.д. зависят от физических принципов работы приборов, применяемых материалов при производстве ИМС и параметров технологических процессов при их изготовлении.

Физические процессы, протекающие в изделиях микроэлектроники (и в микросхемах памяти тоже), технология изготовления и конструктивные особенности ИМС высокой степени интеграции могут влиять на архитектуру и методы проектирования ЭВМ и систем. Естественно, уменьшение геометрических размеров транзисторов приводит к увеличению электрических полей, особенно в районе стока. Это может привести к развитию лавинного пробоя и, как следствие, к изменению выходной ВАХ МОП транзистора: – включению паразитного биполярного транзистора (исток-подложка-сток); – неравномерному заряжению диэлектрика у стока; – деградации приповерхностной области полупроводника; – пробою диэлектрика.

Основные характеристики полупроводниковой памяти. Полупроводниковая память имеет большое число характеристик и параметров, которые необходимо

учитывать при проектировании систем:

1) Емкость памяти определяется числом бит хранимой информации. Емкость кристалла обычно выражается также в битах и составляет 1024 бита, 4 Кбит, 16 Кбит, 64 Кбит и т.п. Важной характеристикой кристалла является информационная организация кристалла памяти MxN, где M – число слов, N – разрядность слова. Например, кристалл емкостью 16 Кбит может иметь различную организацию: 16 Кx1, 4 Кx2 Кx8. При одинаковом времени обращения память с большей шириной выборки обладает большей информационной емкостью.

2) Временные характеристики памяти. Время доступа – временной интервал, определяемый от момента, когда центральный процессор выставил на шину адреса адрес требуемой ячейки памяти и послал по шине управления приказ на чтение или запись данных, до момента осуществления связи адресуемой ячейки с шиной данных.

Время восстановления – это время, необходимое для приведения памяти в исходное состояние после того, как ЦП снял с ША – адрес, с ШУ – сигнал "чтение" или "запись" и с ШД – данные.

3) Удельная стоимость запоминающего устройства определяется отношением его стоимости к информационной емкости, т.е. определяется стоимостью бита хранимой информации.

4) Потребляемая энергия (или рассеиваемая мощность) приводится для двух режимов работы кристалла: режима пассивного хранения информации и активного режима, когда операции записи и считывания выполняются с номинальным быстродействием. Кристаллы динамической МОП-памяти в резервном режиме потребляют примерно в десять раз меньше энергии, чем в активном режиме. Наибольшее потребление энергии, не зависящее от режима работы, характерно для кристаллов биполярной памяти.

5) Плотность упаковки определяется площадью запоминающего элемента и зависит от числа транзисторов в схеме элемента и используемой технологии. Наибольшая плотность упаковки достигнута в кристаллах ди
намической МОП-памяти.

6) Допустимая температура окружающей среды обычно указывается отдельно для активной работы, для пассивного хранения информации и для нерабочего состояния с отключенным питанием. Указывается тип корпуса, если он стандартный, или чертеж корпуса с указанием всех размеров, маркировкой и нумерацией контактов, если корпус новый. Приводятся также условия эксплуатации: рабочее положение, механические воздействия, допустимая влажность и другие.

Постоянные запоминающие устройства. Программируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ) делятся на однократно программируемые (например, биполярные ПЗУ с плавкими соединениями) и рассматриваемые здесь многократно электрически программируемые МОП ПЗУ. Это полевой транзистор с плавающим затвором и МДОП (металл-диэлектрик-оксид полупроводник) транзистор. Обычно в качестве диэлектрика используют нитрид кремния.

Полевой транзистор с плавающим затвором. Конструкция и обозначение полевого транзистора с плавающим затвором представлены на рис. 4.1.

Рис. 4.1 МОП транзистор с плавающим затвором

Это р-канальный нормально закрытый МОП прибор. Здесь же показаны вольтамперные характеристики (ВАХ) транзистора в состоянии логических единицы и нуля (до и после записи информационного заряда). Плавающий затвор представляет собой область поликремния, окруженную со всех сторон диэлектриком, т.е. он электрически не связан с другими электродами и его потенциал "плавает". Обычно толщина нижнего диэлектрического слоя составляет десятки ангстрем. Это позволяет в сильном электрическом поле инжектировать электроны в плавающий затвор:

- или сквозь потенциальный барьер Si-SiO2 путем квантовомеханического туннелирования;

- или над барьером "горячих" носителей, разогретых в поперечном или продольном поле при пробое кремниевой подложки.

Лавинный пробой подложки вблизи стока может приводить к неоднородной деградации транзистора и, как следствие, к ограничению по числу переключений элемента памяти. МДП-транзистор с плавающим затвором может быть использован в

качестве элемента памяти с временем хранения, равным времени диэлектрической релаксации структуры, которое может быть очень велико и, в основном, определяется низкими токами утечки через барьер Si-SiO2 (Fe = 3,2 эВ). Fe – высота потенциального барьера. Такой элемент памяти обеспечивает возможность непрерывного считывания без разрушения информации, причем запись и считывание могут быть выполнены в очень короткое время.

Стирание информации (возврат структуры в исходное состояние) может осуществляться:

- ультрафиолетовым излучением с энергией квантов более 5,1 эВ (ширина запрещенной зоны нитрида кремния) через кварцевое окно;

- подачей на структуру импульса напряжения, противоположного по знаку записывающему.

В соответствии с ГОСТом такие ИМС имеют в своем названии литеры РФ и РР соответственно. Время хранения информации в МНОП транзисторе обусловлено термической эмиссией с глубоких ловушек и составляет порядка 10 лет в нормальных условиях. Основными факторами, влияющими на запись и хранение заряда, являются электрическое поле, температура и радиация. Количество электрических циклов "запись-стирание" обычно не менее 105.

Оперативные запоминающие устройства. Полупроводниковые ЗУ подразделяются на ЗУ с произвольной выборкой и ЗУ с последовательным доступом. ЗУПВ подразделяются:

- на статические оперативные запоминающие устройства (СОЗУ);

- динамические оперативные запоминающие устройства (ДОЗУ).

ЗУ с последовательным доступом подразделяются:

- на регистры сдвига;

- приборы с зарядовой связью (ПЗС).

В основе большинства современных ОЗУ лежат комплементарные МОП ИМС (КМОП), которые отличаются малой потребляемой мощностью. Это достигается применением пары МОП транзисторов с разным типом канала: n-МОП и p-МОП. Как видно на рис. 4.2, в КМОП инверторе как при низком, так и при высоком уровне сигнала на входе один из транзисторов закрыт. Поэтому потребление энергии происходит только при переключении "1"R"0" (и обратно).

Как известно, быстродействие МОП транзисторов, в первую очередь, ограничивается большой входной емкостью затвор-исток (подложка). Уменьшение

геометрических размеров приборов (площади затвора и длины канала) при увеличении степени