37. Репрограммируемые пзу

Структура БИС РПЗУ аналогична структуре МПЗУ, но в качестве ЭП используется МДП-структура, механизмом запоминания и хранения информации в которой является процесс накопления заряда. В зависимости от структуры МДП-транзистора различают два основных вида РПЗУ: РПЗУ, стираемые ультрафиолетовым облучением (РПЗУ УФ, EPROM), и электрически – стираемые РПЗУ (РПЗУ ЭС, EEPROM). Запись информации в обоих типах осуществляется электрическим способом.

Рпзу с электрическим стиранием информации

Основными преимуществами электрически стираемых РПЗУ (РПЗУ ЭС) по сравнению с РПЗУ УФ являются оперативность смены информации (без изъятия микросхем из аппаратуры) и большее число циклов программирования (до10³... 10⁵).

Э

лементом памяти РПЗУ ЭС является МНОП - транзистор, имеющийструктуру металл-нитрид-оксид-полупроводник. В отличие от МДП-транзис-тора у МНОП-транзистора металлический затвор отделен от подложки двумя слоями диэлектрика: диоксидом кремния SiO₂ толщиной 4 ... 5 нм и нитридом кремния Si₃N₄ толщиной 80-100 нм (рис.16.17,а).

Информация, записанная в МНОП-транзистор, определяется количеством заряда, накопленного на границе двух слоев диэлектриков. Отрицательный заряд повышает пороговое напряжение Uзи_пор транзистора, а положительный -понижает.

В режиме стирания затвор транзистора заземляется, а на подложку подается положительный импульс напряжения амплитудой 30...4О В. Большая напряженность возникшего при этом электрического поля между подложкой и затвором приводит к туннельному пробою, дырки туннелируют из подложки и накапливаются на границе диоксида кремния и нитрида кремния, создавая положительный заряд. Уход дырок из приповерхностного слоя подложки вызывает обогащение этой области электронами и, следовательно, уменьшение порогового напряжения до значения U_пор.н. .

В режиме программирования выводы подложки, стока и истока заземля­ются, а положительный импульс напряжения подается на затвор. Поскольку направление напряженности возникшего при этом электрического поля изменилось на противоположное, то из подложки будут туннелировать не дырки, а электроны, которые, накапливаясь на границе диэлектриков, создадут отрицательный заряд (рис.16.17,б).

Обеднение приповерхностной области подложки электронами приведет к увеличению порогового напряжения транзистора до значения U_пор..в.В режиме считывания на затвор МНОП-транзистора с выбранной АШ подается напряжение U_сч, находящееся между значениями пороговых напряжений высокого (U_пор..в) и низкого (U_nop._н) уровней (см. рис.16.16).

При этом если на границе диэлектрических пленок был положительный заряд, образованный в режиме стирания, то значение протекающего через транзистор в разрядную шину тока I_сч будет существенно больше, чем при хранении на границе диэлектрических пленок отрицательного заряда, образованного в режиме программирования. Таким образом, режим стирания сопровождается записью в ЭП логической единицы, а режим программирования - записью логического нуля.

38. Рпзу с ультрафиолетовым стиранием информации

Элементом памяти РПЗУ УФ является МДП-транзистор с плавающим изолированным затвором (ПЗ) с использованием при записи эффекта лавинной инжекции (ЛИПЗ МДП-транзистор) в сочетании с ключевым транзистором либо один запоминаю­щий транзистор с ПЗ и управляющим затвором.

Элемент памяти первого типа показан на рис.16.14,а. Транзистор VT2-адресный (ключевой) ,VT1 -собственно запоминающий транзистор ЭП. В качестве VT2 используется обычный р-МДП-транзистор. Если на возбуждаю­щей АШ низкий уровень напряжения, то он подключает РШ к транзистору VT1, представляющему собой ЛИПЗ МДП-транзистор с каналом р-типа. Этот транзистор может находиться в одном из двух устойчивых состояний: открытом или закрытом, что соответствует хранению 1 или 0. Структура транзистора VT2 приведена на рис.16.14,б. Металлический или кремниевый затвор со всех сторон изолирован диэлектрическим слоем диоксида кремния SiO₂ и не имеет наружного вывода.

Из-за отсутствия гальванической связи с другими электродами потенциал его оказывается "плавающим".

Е

а) б)

сли при записи информации между стоком и подложкойприложить напряжение 30...50 В, являющимся обратным для перехода сток-подложка, то в результате лавинного пробоя часть электронов приобретает энергию, достаточную для преодоления энергетического барьера между кристаллом и диэлектриком. Инжектируемые из кристалла электроны дрейфуют в диэлектрике к ПЗ и накапливаются на нем.

Н

Рис. 16.14

акопленные в ПЗэлектроны создают отрицательный заряд, под действием которого в приповерхностном слое n-подложки появляется инверсионный слой р-типа, образующий проводящий канал между областями стока и истока.

Через VT1 и VT2 в разрядную шину передается напряжение Еп, т.е. считывается 1. При отсутствии отрицательного заряда на ПЗ канал между стоком и истоком отсутствует и с РШ считывается 0. Поскольку ПЗ окружен изолирующим слоем, заряд сохраняется в течение длительного времени - до 10 лет и более.

Стирание хранимой в РПЗУ информации осуществляется ультрафиолето­вым или рентгеновским облучением. При этом за счет ионизации диоксида кремния происходит внутренняя фотоэмиссия электронов ПЗ в подложку (рис.16.14,в)

Рассмотренный двухтранзисторный ЭП РПЗУ применялся в первых БИС такого типа ПЗУ.С целью повышения коэффициента интеграции и упрощения схемы ЭП был разработан однотранзисторный ЭП, в котором используется аналогичный принцип записи и стирания информации. Такой ЭП (рис.16.15,а) отличается от рассмотренного тем, что у него кроме ПЗ имеется второй затвор, называемый управляющим, или затвором выборки (рис.16.15,б). Материалом для обоих затворов служит поликристаллический кремний. При отсутствии отрицательного заряда на ПЗ ЛИПЗ МДП- транзистор имеет малое пороговое напряжение Изи_пор=U_пор.н (рис.16.16). При програм­мировании (записи информации) на затвор подается положительный импульс напряжения амплитудой около 25 В и длительностью в несколько десятков миллисекунд. Это вызывает лавинную инжекцию электронов из подложки через изолирующий диоксид кремния, которые, двигаясь к управляющему затвору, оседают на ПЗ, создавая на нем отрицательный заряд. Отрицательный заряд на ПЗ увеличивает пороговое напряжение транзистора до значенияUзи_пор = U_пор.в .

В режиме считывания положительное напряжение не более 5В с возбужденной адресной шины поступает на управляющий затвор (см.рис.16.15,а). Если на ПЗ нет отрицательного заряда, т.е. он не подвергался программированию, то между областями стока и истока образуется проводящий канал и в РШ передается напряжение Еп, что соответствует логической 1 (рис.16.16).

а) б) в)

Рис.16.15

Если же транзистор программировался и на его ПЗ имеется отрицательный заряд, канал между стоком и истоком не образуется, и РШ оказывается Если же транзистор программировался и на его ПЗ имеется отрицательный заряд, канал между стоком и истоком не образуется, и РШ оказывается отключенной от шины Еп, что соответствует хранению этим транзистором логического 0. Стирание информации осуществляется ультрафиолетовым облучением через прозрачное кварцевое окошко на поверхности микросхемы в течение нескольких десятков минут сразу во всех ЭП.

Падающий ультрафиолетовый свет увеличивает энергию электронов ПЗ до такого уровня, при котором они преодолевают барьер между ПЗ и изолирующим слоем SiCb и стекают в подложку. В результате ПЗ всех ЭП освобождаются от электронов, т.е. во все ЭП записывается логическая 1.

Рис. 16.16