Петров К.С. Радиоматериалы и радиокомпоненты (2003) (1152094), страница 78
Текст из файла (страница 78)
В качестве элемента памяти в РПЗУ используют МДП-транзистор с плавающим затвором, эквивалентная схема которого показана на рис. 8АЗ, а. Такие транзисторы помимо обычного управляющего затвора, соединенного с адресной шиной, содержат второй затвор, размещенный между управляющим затвором и подложкой (рис. 8.43, б). Этот дополнительный затвор не имеет внешних выводов и поэтому называется плавающим.
Оба затвора выполнены из сильнолегированного поликремния и отделены один от другого слоем 810, толщиной 0,02-0,04 мкм. Х У и вис. в.аз Толщина оксидного слоя между плавающим затвором и подложкой имеет такую же величину. Длина канала составляет 1-2 мкм. Площадь, занимаемая элементом на подложке, составляет 6 — 10 литографических квадратов, что позволяет создавать накопители информации с емкостью более 1 Мбит. В режиме программирования логической единицы на разрядную шину подается высокий потенциал Р (около 10 В), а на адресную шину — потенциал У„> У'. При этих условиях между истоком и стоком существует канал, в котором электроны разгоняются до скоростей, при которых становится возможным лавинное размножение электронов, в результате чего появляются высокоэнергетические (горячие) электроны, способные преодолеть потенциальный барьер на границе раздела кремний-оксид кремния.
Поскольку потенциал затвора выше потенциала канала, то существует поперечное (вертикальное) электрическое поле, в котором элек- Глава 8. Циф вые интег вльные микросхемы троны, попавшие в слой оксида кремния, перемещаются в сторону плавающего затвора, в результате плавающий затвор приобретает отрицательный заряд. В режиме программирования логического нуля на разрядную шину подается низкий потенциал У'. В этом случае продольное (горизонтальное) электрическое поле в канале отсутствует, и накопления заряда в плавающем затворе не происходит. В режиме хранения логической единицы плавающий затвор имеет отрицательный заряд, а в режиме хранения логического нуля заряд равен нулю. 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 0'„, невелико (порядка 1-2 В). Если же заряд существует, то пороговое напряжение У„' возрастает (порядка 8 В). В режиме считывания разрядная шина У подключается к усилителю считывания, а нашинуХподается напряжение У„лежащее в пределе между У,' и У„', (обычно 5 В). Если в ЭП хранится логическая единица, то канал в МДП-транзисторе не индуцируется, и шина У оказывается изолированной от подложки. Если в Э П хранится логический ноль, то канал индуцируется, и шина у соединяется с подложкой. Стирание (удаление электронов из плавающего затвора) осуществляется путем облучения кристалла ультрафиолетовыми лучами, под действием которых электроны приобретают энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера на границе между кремнием и оксидом кремния.
Далее они дрейфуют в подложку, потенциал которой должен быть выше потенциала управляющего затвора. Корпуса ИМС, содержащие ЭП рассмотренного типа, имеют специальное окно со вставленным кварцевым стеклом. В каждом цикле перепрограммирования происходят некоторые изменения в структуре кристаллической решетки полупроводника, образуются дополнительные поверхностные заряды, происходит захват электронов ловушками в слое оксида кремния и т. д. Все это приводит к изменению пороговых напряжений.
Поэтому максимально допустимое число циклов перепрограммирования обычно не превышает 10з. Рассмотренный 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 оксидом кремния. Более совершенным является способ проникновения элекгронов в плавающий затвор путем туннелирования из подложки через диэлектрик. На рис. 8.44 приведена энергетическая диаграмма системы подложка — диэлектрик — плавающий затвор, иллюстрирующая механизм туннельных переходов. При ширине запрещенной зоны кремния, равной 1,1 эВ, и ширине запрещенной зоны оксида кремния, равной примерно 9 зВ, на границе 81 — 810, возникает энергетический барьер высотой около 4 эВ.
Преодолеть такой барьер может незначительная часть «горячих» электронов. Если же уменьшить толщину диэлектрика до 0,01 мкм и довести величину напряженности электрического поля в нем до 10' — 10' В/см, то электроны смогут совершить туннельные переходы из зоны проводимости подложки в зону проводимости диэлектрика и оттуда в зону проводимости поли- кремниевого затвора.
Поскольку плавающий затвор со всех сторон изолирован, то в нем произойдет накопление отрицательного заряда. Туннелирование элект- 427 8.И. Запоминающиеустройства ронов через диэлектрик — процесс двухсторонний, его можно использовать как для заряда, так н для разряда плавающего затвора, Еэ Е, диэлектрик Рис. 8.44 Структура ЭП, программируемого с помощью туннельного эффекта, представлена на рис. 8А5, а, эквивалентная схема — на рнс.
8.45, 6. Левая часть структуры образует бистабильный МДП-транзистор с плавающим затвором, перекрывающим область стока со слоем туннельно-тонкого диоксида толщиной порядка 10 нм, в котором происходит туннелированне электронов. Правая часть структуры представляет собой обычный МДП-транзистор, предназначенный для подключения стока бнстабильного транзистора к разрядной шине. 81 \ В режиме программирования на программирующую шину Х„,„э подается напряжение порядка 20 В, а на адресную шину — напряжение, превышающее пороговое, в результате чего разрядная шина через транзистор Ъ'Тэ подключается к стоку транзистора ЧТь При программировании логической единицы на разрядной шине устанавливается нулевой потенциал.
В этом случае в туннельно-тонком диоксиде происходит туннелирование электронов в плавающий затвор. При программировании логического нуля на разрядной шине устанавливается высокий потенциал, и туннелирования не происходит. В итоге, как и в предыдущем случае, при программировании логической единицы плавающий затвор приобрета- 42В Глава 8. Цифровые интегральные мик осхемы ет отрицательный заряд, а при программировании логического нуля заряд затвора равен нулю. При считывании информации подается отпирающее напряжение на шину Х, и транзистор ЧТ, подключается к разрядной шине через транзистор ЧТь Для стирания информации шину Х„соединяют с подложкой, а на сток транзистора ЧТ, подают высокое напряжение, при этом происходит туннелирование электронов из плавающего затвора в сток.
Рассмотренный ЭП обладает рядом достоинств по сравнению с элементами, в которых происходит накопление «горячих» электронов, например, имеется возможность позлементного быстрого электрического стирания информации, кроме того, число циклов перепрограммирования достигает 10'. Однако ЭП с программированием с помощью туннельного эффекта занимают сравнительно большую площадь (порядка 30-90 литографических квадратов). Элементы памяти ОЗУ статического типа В качестве элементов памяти ОЗУ статического типа используются триггеры. На рис. 8.46 представлена схема элемента памяти на МДП-транзисторах, состоящая из триггера (ЧТ, ЧТ4) и управляющих транзисторов ЧТ, и ЧТ,.
В режиме записи на одну из разрядных шин подается напряжение Р, на другую — (Р, а на адресную шину подается положительный импульс напряжения, отпирающий транзисторы ЧТз и ЧТ,, что приводит к подключению триггера к разрядным шинам. Если ()г = ()с, а Уг' = У', то отпирается ЧТ, и запирается ЧТ;, если Уг = У', а Пг = ()с, то отпирается ЧТ, и запирается ЧТь В режиме хранения напряжение на шине Х близко к нулю, транзисторы 'ЧТ, и ЧТс заперты, триггер отключен от разрядных шин и хранит ранее записанную информацию.
В режиме считывания шины У' и У" подключаются к усилителю считывания, а на адресную шину Х подается положительный импульс напряжения, вследствие чего триггер оказывается подключенным к разрядным шинам. Площадь, занимаемая таким элементом памяти на подложке, составляет примерно 150 литографических квадратов. Информационная емкость матрицы достигает 10-25 Кбит, она ограничена допустимым разогревом кристалла.
Элемент памяти может быть выполнен на комплементарных транзисторах. В этом случае в режиме хранения информации потребляется ничтожно малая мощность (десятки пиковатт), что позволяет повысить информационную емкость до 256 Кбнт. Рис. 8.46 8.11. Запоминающие устройства Элементы памяти динамического типа Принцип действия элементов памяти динамического типа основан на хранении информации в виде накопленных на паразитных емкостях диодов или транзисторов электрических зарядов. Обычно для этой цели используются МДП-транзисторы. На рис.
8.47, а представлена схема однотранзисторного ЭП. В этой схеме электрический заряд хранится в запоминакнцем конденсаторе С„включенном между истоком и подложкой МДП-транзистора, В режиме записи на шину Х подается положительный импульс напряжения, в результате в транзисторе индуцируется канал, и конденсатор С, оказывается подключенным к разрядной шине К Если на разрядной шине имеется высокий потенциал 1Р, то конденсатор С, заряжается до напряжения У'. Если же потенциал разрядной шины равен 0' О, то заряда конденсатора не происходит. В режиме хранения информации У„= О, и конденсатор С, оказывается отключенным от шины К В режиме считывания У„) О, и конденсатор С, подключается к шине К которая в свою очередь подключается к усилителю считывания.
При записи на конденсаторе накапливается электрический заряд Я = С,Уи При считывании на разрядной шине устанавливается напряжение У,„= Я/(С, + Сг), где Сг- паразитная емкость разрядной шины. Для повышения размаха считываемого сигнала 8У „, = У' „, — Р' необходимо увеличивать отношение С,/Си 4 3 б Рис. 8.47 В режиме хранения информации конденсатор С, постепенно разряжается вследствие существования токов утечки. Поэтому необходимо периодическое восстановление заряда конденсатора.
С этой целью через каждые несколько миллисекунд происходит считывание информации с элемента памяти, преобразование ее в напряжение Р или Р и последующая запись этого напряжения в элемент памяти. На рис. 8.47, б представлена простейшая структура однотранзисторного ЭП, в которой область 1 является истоком, область 2 — стоком, а поликремниевый слой 3 представляет собой затвор транзистора, являющийся одновременно шиной строки Х, проходящей перпендикулярно к рисунку. Сток 2 соединен с алюминиевой шиной, напыленной на поверхность слоя 810ь Поликремниевый слой 4, проходящий параллельно слою 3, образует конденсаторную шину К соединенную с подложкой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
