7.3. ЗАПОМИНАЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПЗУ

В ПЗУ запоминающие элементы объединяются в двухкоординатную матрицу , образованную при пересечении N входных слов и выходных (разрядов) информационных шин. В местах пересечения совокупностей включены ЗЭ, несущие информацию «1» или . В качестве ЗЭ используют диоды, биполярные транзисторы, МДП-структуры, аморфные полупроводники (АП) и др. В табл. 7.2 приведена классификация ПЗУ по способам записи и стирання, а также по типу применяемых ЗЭ [72].

Рис. 7.12.

На рис. 7.12 изображены схемы основных ЗЭ, на основе которых разрабатываются ПЗУ, ППЗУ. Для ПЗУ с накопителем на ЗЭ (рис. 7.12,а, е) запись информации осуществляется двумя способами: изменением конфигурации металлизированной разводки (фотошаблоны) или селективным вскрытием контактных окон под металлизацию (лазерным лучом). Для ППЗУ ЗЭ (рис. 7.12,в, г) программируются пережиганием плавких перемычек, а ЗЭ — (рис. программируются путем избирательного разрушения диодов. В РПЗУ возможна полная перезапись информации или же частичное селективное изменение хранимой информации в отдельных ЗЭ.

ЗЭ на диодах располагаются в местах пересечения токоведущих шин (рис. 7.13). Информация в такой ЗЭ записываёгся в двоичном коде, причем логическая «1» соответствует наличию диода в пересечении матрицы, а логический - отсутствию диода (или наоборот).

Таблица 7.2

В ПЗУ информация заносится изготовлением диодной матрицы (ДМ) металлизацией с помощью фотошаблонов или контактных окон (рис. 7.13,а, б) и лазерным лучом (рис. 7.13,в). В ППЗУ информация заносится посредством пережигания плавких перемычек (рис. 7.13,г, д) и восстановлением связей в ЗЭ пробоем (рис. ) или закорачиванием одного из взаимно (обратно) включенных диодов (рис. ). На базе диодных структур разработаны ПЗУ и ППЗУ с информационной емкостью 1—64 Кбит и временем считывания .

В настоящее время выпускаются на биполярной структуре ПЗУ и ППЗУ типов ТТЛ и ЭСЛ, которые имеют малое время выборки (10—30 не для ЭСЛ и 30—100 не для ТТЛ) и информационную емкость от 1 до 64 Кбит. На рис. 7.14 показаны ЗЭ на биполярных структурах в виде эмиттерных повторителей на или транзисторах и переходах база — коллектор или база — эмиттер. В этих ЗЭ информация заносится с помощью фотошаблонов или контактных окон для ПЗУ (рис. 7.14,а, е, ), а также пережиганием плавких перемычек (рис. 7.14,в, г, д, ж, з, и, к, м) и пробоем (рис. 7.14,б) (коллекторных или эмиттерных) для ППЗУ.

ПЗУ инспекционной логики являются весьма перспективными для разработки ПЗУ большой информационной емкости и низкой потребляемой мощности при высокой скорости считывания информации. При проектировании ПЗУ на -структурах в качестве ЗЭ можно использогать диоды Шотки и транзисторы с инжекторным -переходом, а также различное их совместное включение (рис. 7.15). В ПЗУ, построенных на основе -структурах, информация заносится с помощью фотошаблонов или контактных окон.

Рис. 7.13.

Использование диодов Шотки в качестве ЗЭ (рис. 7 15,а) позволяет проектировать ПЗУ высокого быстродействия и большой степени интеграции. Применение в качестве ЗЭ одноколлекторных (рис. ) и многоколлекторных (рис. 7.15,в) транзисторов (МКТ) с инжекторным -переходом, а также использование диодов Шотки в базовых цепях транзисторов ЗЭ (рис. ) существенно расширяет логические возможности ЗЭ. Использование в ЗЭ транзистора с инжекторным -переходом, в коллекторах которого включены диоды Шотки (рис. 7.15,г) увеличивает число выходов без существенного уменьшения коэффициента усиления по току вертикального -транзистора, повышает быстродействие ЗЭ благодаря уменьшению логического перепада напряжения (от 0,7 до В), повышает информационную плотность ПЗУ. В ЗЭ, построенных на МКТ, в котором один из коллекторов соединен с базой (рис. 7.15,ж) уменьшается задержка распространения сигнала за счет ограничения насыщения вертикального -транзистора.

МДП-структуры занимают доминирующее положение при построении ПЗУ, так как по сравнению с биполярными ПЗУ имеют следующие преимущества: малую потребляемую мощность, высокую степень интеграции, высокий запас помехоустойчивости (более 1 В), сохраняют информацию в течение длительного времени после отключения питания, на основе МДП-структур можно получить схемные элементы (транзисторы, резисторы, конденсаторы), необходимые для построения ПЗУ.

Рис. 7.14.

Информация в ПЗУ на основе МДП-структур записывается в ходе технологического процесса изготовления с помощью фотошаблонов или контактных окон. Современные ПЗУ на n-канальных МДП-структурах имеют информационную емкость 1—256 Кбит, а время считывания 80—500 не и совместимы по уровню управляющих сигналов с ИС типа ТТЛ. Принципиальная схема ПЗУ на «канальных МДП-транзисторах показана на рис. 7.16. При считывании информации высокий уровень напряжения с матричных дешифраторов адреса подается на одну из шин адресов по координате У и через резистор (роль которого также выполняет МДП-транзистор) на одну из шин адресов по координате X.

Рис. 7.16

(см. оригинал)

Рис. 7.17

(см. оригинал)

При этом на одной из выходных ннформационных шип появляется высокий уровень напряжения, если на выбранном узле запоминающей матрицы не сформирован ЗЭ на -канальном МДП-транзисторе (окно не вскрыто), и низкий уровень напряжения, если ЗЭ сформирован (окно вскрыто), что соответствует считыванию информации «1» и .

ПЗУ и ППЗУ на КМДП-структурах имеют повышенное быстродействие (100—500 нс), почти нулевую рассеиваемую мощность в статическом режиме и повышенную помехоустойчивость (до 1,5 В), хотя для характерны относительная невысокая плотность интеграции и более высокая стоимость производства по сравнению с ПЗУ и ППЗУ на МДП-структурах. В качестве ЗЭ используется инвертор на КМДП-траизисторах ПЗУ на КМДП-структурах программируют в процессе изготовления с помощью фотошаблонов, а в ППЗУ используются пережигание перемычек или хранение заряда на затворе и пробой подзатворного окисла, сформированного специальным образом.

Рис. 7.18.

РПЗУ на МДП-структурах допускают многократную перезапись и хранение информации при отключении интания. В РПЗУ запоминающие элементы строят на базе МДП-структур с захватом заряда (транзисторы МНОП, МАОП, МАП) и с плавающим затвором (лавинно-инжекционный МДП-транзистор с изолированным затвором ЛИИЗМДП и лавинно-инжекционный МДП-транзистор с плавающим и управляющим затворами — ЛИИЗМДП с двойным затвором). В ЗЭ с захватом заряда заряд хранится на ловушках на границе (границах) раздела многослойного диэлектрика и (или) в объеме диэлектрика затворной части МДП-структуры. В ЗЭ с плавающим затвором заряд хранится в тонком проводящем слое либо в проводящих частицах, расположенных между диэлектриками затворной части МДП-структуры. ЗЭ с плавающим затвором по сравнению с ЗЭ захвата заряда более просты в изготовлении и обеспечивают длительное сохранение информации. По способу сохранения информации РПЗУ подразделяются на со стиранием информации электрическими сигналами и со стиранием информации с помощью лучей (ультрафиолетовых, рентгеновских, электронных и др.).

ЗЭ на МДП-структурах с плавающим затвором и стиранием информации с помощью лучей (рис. ) состоит из адресного транзистора и собственно запоминающего транзистора типа ЛИИЗМДП с плавающим затвором. Транзистор может находиться в одном из двух устойчивых состояний открытом или закрытом, что соответствует хранению «0» или «1» ЗЭ.

Информация (заряд затвора) в ЗЭ записывается с помощью большего отрицательного (для -канальных транвисторов) импульса (30—50 В и длительностью около , который прикладывается между стоком и истоком . Это вызывает лавинную инжекцию электронов в изолированный кремниевый затвор и на плавающем затворе накапливается отрицательный заряд, который вызывает появление проводящею инверсного слоя, в результате этого капал становится проводящим (рис. ), транзистор открыт (хранит ). Поскольку плавающий заряд окружен изолятором , заряд сохраняется в течение длительного времени лет). Стереть информацию можно посредством ультрафиолетового облучения или рентгеновскими лучами дозой около с энергией, достаточной для «пыбивания» электронов из поликристаллического кремния плавающего затвора в направлении слоя двуокиси кремния . При этом структура переводится в состояние логической .

Рис. 7.19.

ЗЭ на МДП-структурах с плавающим эатвором и стиранием информации электрическими сигналами (рис. 7.19,а) состоит из транзисторов — выборки и — хранения информации (типа ЛИИЗМДП о двойным затвором). Если плавающий затвоо транзистора ааряжен положительно, то открыт (так как образуется инверсионный слой электронов), и такое состояние соответствует уровню логического «0». Отрицательно впряженный плавающий затвор закрывает , что соответствует уровню логической (рис. ) При стирании информации (занесение логического ) на исток подается напряжение , на управляющий затвор — 40 В, а на подложку — 5 В (сток остается разомкнутым), в результате чего происходят поверхностный пробой истокового -перехода и генерация электронно-дырочных пар. При этом направление электрического поля в затворном диэлектрике в этом режиме вызывает иижекцию дырок в плавающий затвор. По окончании стираиия запоминающий транзистор открывается, с этого момента его хранимое пороговое напряжение равио — 30 В. Для записи информации (занесение логической ) используется низковольтный пробой стокового , в ходе которого происходит иижекция электронов в плавающий затвор. Инжектированные электроны нейтрализуют накопленные на плавающем затворе дырки, и плавающий затвор переходит в отрицательно заряженное состояние. При этом закрывается.

В режиме записи на управляющий аатвор подается напряжение 26 В, на подложку — 2 В относптечьно истока, а на сток подается импульс записи длительностью . В результате этого происходит смещение порогового напряжения транзистора до . При считывании информации на адресную шину подается импульс, открывающий транзистор . Если запоминающий транзистор открыт, то через него и последовательно соединенный с ним в выходную РШ течет ток, соответствующий считыванию логического «0» При закрытом ток равен нулю, что соответствует считыванию логической «1».

ЗЭ на МДП-структурах с захватом заряда со стиранием информации электрическими сигналами наиболее распространены на МНОП-траизисторах (рис 7.20,а). Они состоят из адресного -канальиого МДП-транзистора и запоминающего МНОП-транзистора Информация в ЗЭ записывается при подаче на затвор некоторого положительного или отрицательного напряжения .

Рис. 7.20.

При подаче положительного напряжения на границе слоев нитрида и двуокиси кремния возникает заряд (рис. ), который снижает пороговое напряжение до . При подаче на затвор отрицательного напряжения того же значения восстанавливается начальное высокое пороговое напряжение (рис. 7.20,в).

При заземленных выводах истока и стока переключение прибора из одного состояния в другое, отличающиеся друг от друга пороговым напряжением, происходит при подаче на его затвор в течение напряжения . При этом под действием отрицательного напряжения устанавливается состояние с высоким пороговым напряжением , а при — состояние с низким пороговым напряжением . Для считывания информации на затвор подается напряжение считывания , причем . Таким образом, если подать ), то ЗЭ, в котором записан логический «0», перейдет в состояние проводимости, а ЗЭ, находившийся в состоянии «1», проводить не будет.

В качестве запоминающего элемента РПЗУ в совокупности с МДП-структурами широко используются аморфные полупроводники — приборы Овшинского. Одним из уникальных свойств аморфных полупроводников является пороговое переключение. Пороговое переключение связано с наличием у АП вольт-амперной характеристики S образного типа (рис. ). В выключенном состоянии (в слабых электрических полях) электрическое сопротивление АП велико.

В полях напряженностью более 10 000 В/см ток с ростом напряжения начинает экспоненциально увеличиваться, т. е. проводимость материала значительно возрастает. Высокая проводимость удерживается при уменьшении напряжения до некоторого значения (порогового — ), которое не зависит от толщины пленки АП и лежит в пределах от 0,5 до 1,5 В. В результате переключения в материале образуются каналы с высокой проводимостью. Проводимость в включенном состоянии не зависит от полярности приложенного напряжения. Процесс переключения происходит достаточно быстро (примерно за 100 не). Из одного состояния в другое ЗЭ переводится электрическими импульсами с определенными параметрами.

Структура ЗЭ для таких РПЗУ состоит из АП и последовательно с ним включенного развязывающего диода или транзистора (рис. ЗЭ ведет себя как элемент с двумя устойчиеыми значениями сопротивлений (высоким 300 кОм, низкпм 1 кОм).

Рис. 7.21.

Чтобы перевести ЗЭ из высокоомного в низкоомное , необходимо вначале подать импульс высокого напряжения , а затем импульс тока и длительностью . После этого ЗЭ будет оставаться в низкоомном состоянии практически неограниченное время. Чтобы вернуть ЗЭ в высокоомное состояние , необходимо подать импульс тока длительностью . Считывается информация при подаче тока и изменением падения напряжения на ЭЭ.