ЗУ типов eprom и eeprom

В репрограммируемых ЗУ типов EPROM и EEPROM (или E2ROM) воз­можно стирание старой информации и замена ее новой в результате специального процесса, для проведения которого ЗУ выводится из рабочего ре­жима. Рабочий режим (чтение данных) — процесс, выполняемый с относи­тельно высокой скоростью. Замена же содержимого памяти требует выпол­нения гораздо более длительных операций.

По способу стирания старой информации различают ЗУ со стиранием ульт­рафиолетовыми лучами (EPROM или в русской терминологии РПЗУ-УФ, т. е. репрограммируемые ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием) и электриче­ским стиранием (E2ROM или РПЗУ-ЭС).

Запоминающими элементами современных РПЗУ являются транзисторы типов МНОП и ЛИЗМОП (добавление ЛИЗ к обозначению МОП происхо­дит от слов Лавинная Инжекция Заряда).

МНОП-транзистор отличается от обычного МОП-транзистора двухслойным подзатворным диэлектриком. На поверхности кристалла расположен тонкий слой двуокиси кремния SiO2, далее более толстый слой нитрида кремния Si3N4 и затем уже затвор (рис. 4.16, а). На границе диэлектрических слоев возникают центры захвата заряда. Благодаря туннельному эффекту, носители заряда могут проходить через тонкую пленку окисла толщиной не более 5 нм и скапливаться на границе раздели слоев. Этот заряд и является носителем информации, хранимой МНОП-транзистором. Заряд записывают созданием под затвором напряженности электрического поля, достаточной для возник­новения туннельного перехода носителей заряда через тонкий слой SiO2. На границе раздела диэлектрических слоев можно создавать заряд любого знака в зависимости от направленности электрического поля в подзатворной области. Наличие заряда влияет на пороговое напряжение транзистора.

Рис. 4.16. Структуры транзисторов типов МНОП (а) и ЛИЗМОП с двойным затвором (б)

Для МНОП-транзистора с n-каналом отрицательный заряд на границе раз­дела слоев повышает пороговое напряжение (экранирует воздействие поло­жительного напряжения на затворе, отпирающего транзистор). При этом пороговое напряжение возрастает настолько, что рабочие напряжения на затворе транзистора не в состоянии его открыть (создать в нем проводящий канал). Транзистор, в котором заряд отсутствует или имеет другой знак, легко открывается рабочим значением напряжения. Так осуществляется хране­ние бита в МНОП: одно из состояний трактуется как отображение логиче­ской единицы, другое — нуля.

При программировании ЗУ используются относительно высокие напряже­ния, около 20 В. После снятия высоких напряжений туннельное прохожде­ние носителей заряда через диэлектрик прекращается и заданное транзисто­ру пороговое напряжение остается неизменным.

После 104...106 перезаписей МНОП-транзистор перестает устойчиво хранить заряд. РПЗУ на МНОП-транзисторах энергонезависимы и могут хранить информацию месяцами, годами и десятками лет.

Перед новой записью старая информация стирается записью нулей во все запоминающие элементы. Тип ЗУ — РПЗУ-ЭС.

Транзисторы типа ЛИЗМОП всегда имеют так называемый плавающий за­твор, который может быть единственным или вторым, дополнительным к обычному (управляющему) затвору. Транзисторы с одним плавающим за­твором используются в ЗУ типа РПЗУ-УФ, а транзисторы с двойным затво­ром пригодны для применения как в РПЗУ-УФ, так и в РПЗУ-ЭС. Рассмот­рим более современный тип — ЛИЗМОП-транзистор с двойным затвором (рис. 4.16, б).

Принцип работы ЛИЗМОП с двойным затвором близок к принципу работы МНОП-транзистора — здесь также между управляющим затвором и обла­стью канала помещается область, в которую при программировании можно вводить заряд, влияющий на величину порогового напряжения транзистора. Только область введения заряда представляет собою не границу раздела сло­ев диэлектрика, а окруженную со всех сторон диэлектриком проводящую область (обычно из поликристаллического кремния), в которую, как в ло­вушку, можно ввести заряд, способный сохраняться в ней в течение очень длительного времени. Эта область и называется плавающим затвором.

При подаче на управляющий затвор, исток и сток импульса положительного напряжения относительно большой амплитуды 20.;.25 В в обратно смещен­ных р-n переходах возникает лавинный пробой, область которого насыщает­ся электронами. Часть электронов, имеющих энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера диэлектрической области, проникает в плавающий затвор. Снятие высокого программирующего напряжения вос­станавливает обычное состояние областей транзистора и запирает электро­ны в плавающем затворе, где они могут находиться длительное время (в вы­сококачественных приборах многие годы).

Заряженный электронами плавающий затвор увеличивает пороговое напря­жение транзистора настолько, что в диапазоне рабочих напряжений прово­дящий канал в транзисторе не создается.

При отсутствии заряда в плавающем затворе транзистор работает в обычном ключевом режиме.

Стирание информации может производиться двумя способами — ультра­фиолетовым облучением или электрическими сигналами.

В первом случае корпус ИС имеет специальное прозрачное окошко для об­лучения кристалла. Двуокись кремния и поликремний прозрачны для ульт­рафиолетовых лучей. Эти лучи вызывают в областях транзистора фототоки и тепловые токи, что делает области прибора проводящими и позволяет заря­ду покинуть плавающий затвор. Операция стирания информации этим спо­собом занимает десятки минут, информация стирается сразу во всем кри­сталле. В схемах с УФ-стиранием число циклов перепрограммирования су­щественно ограничено, т. к. под действием ультрафиолетовых лучей свойст­ва материалов постепенно изменяются. Число циклов перезаписи у отечест­венных ИС равно 10...100.

Электрическое стирание информации осуществляется подачей на управ­ляющие затворы низкого (нулевого) напряжения, а на стоки — высокого напряжения программирования. Электрическое стирание имеет преимуще­ства: можно стирать информацию не со всего кристалла, а выборочно (индивидуально для каждого адреса). Длительность процесса "стирание-запись" значительно меньше, сильно ослабляются ограничения на число циклов перепрограммирования (допускается 104...106 таких циклов). Кроме того, перепрограммировать ЗУ можно, не извлекая микросхему из устройст­ва, в котором она работает. В то же время схемы с электрическим стирани­ем занимают больше места на кристалле, в связи с чем уровень их интегра­ции меньше, а стоимость выше. В последнее время эти недостатки быстро преодолеваются и ЭС-стирание вытесняет УФ-стирание.

Предшественниками двухзатворных ЛИЗМОП-транзисторов были одноза­творные, имевшие только плавающий затвор. Эти транзисторы изготовлялись обычно с р-каналом, поэтому введение электронов в плавающий затвор при­водило к созданию в транзисторе проводящего канала, а удаление заряда — к исчезновению такого канала. При использовании таких транзисторов запоми­нающие элементы состоят из двух последовательно включенных транзисторов:

ключевого МОП-транзистора обычного типа для выборки адресованного эле­мента и ЛИЗМОП-транзистора, состояние которого определяет хранимый бит. Стирание информации производится ультрафиолетовыми лучами.

Подключение двухзатворных ЛИЗМОП-транзисторов к линиям выборки строк и линиям чтения в матрицах ЗУ показано на рис. 4.17. Запись логиче­ского нуля осуществляется путем заряда плавающего затвора инжекцией "горячих" электронов в режиме программирования. Стирание информации, под которым понимается удаление заряда из плавающего затвора, приводит к записи во все запоминающие элементы логических единиц, т. к. в данном случае опрашиваемые транзисторы открываются и передают напряжение Ucc на линии считывания.

Среди отечественных РПЗУ-УФ (в маркировке они имеют буквы РФ) наи­более известна серия К573 с широким - набором типономиналов, а среди РПЗУ-ЭС (в маркировке имеют буквы РР) имеются серии КР558 (на основе n-МНОП), К1609, К1624, К1626 на ЛИЗМОП с двумя затворами.

Рис. 4.17. Схема подключения ЛИЗМОП-транзисторов с двойным затвором к линиям выборки и считывания в РПЗУ

Отечественные ROM характеризуются в настоящее время следующими па­раметрами: масочные ИС имеют информационную емкость до 1 Мбита при временах доступа около 200 нc, микросхемы с плавкими перемычками соот­ветственно 64 Кбита и 80 нc, РПЗУ-УФ 1 Мбит и 350 нc, РПЗУ-ЭС 64 Кбита и 250 нc.

На уровне мировой техники имеются ЗУ типа РПЗУ-УФ с информационной емкостью до 8 Мбит при временах доступа 45 нc (фирма Atmel), ЗУ типа РПЗУ-ЭС с информационной емкостью до 256 Кбит при временах доступа 90 нc и допустимом числе циклов перезаписи 105 с временем сохранения дан­ных более 10 лет. Это ЗУ использует один источник питания 5 В и потребляет ток 2 мА в активном режиме и 100 мкА при отсутствии обращений. Возможна байтовая или страничная запись за время 3 мс (фирма SGS-Thomson).