18.2.3. Устройства типа ерrом и еерrом
В перепрограммируемых ЗУ типов EPROM и EEPROM (или E2PROM) возможно стирание старой информации и замена её новой в результате специального процесса, для проведения которого ЗУ выводится из рабочего режима. Рабочий режим (чтение данных) – выполняется с относительно высокой скоростью. Замена же содержимого памяти требует выполнения гораздо более длительных операций. В EPROM старая информация стирается ультрафиолетовыми лучами, а в EEPROM – электрическими сигналами.
Для стирания данных ультрафиолетовыми лучами (УФ-лучами) нужны специальные корпуса с прозрачным окошком, имеющие высокую стоимость. Замена таких корпусов обычными дешёвыми (без окошка) приводит к однократно программируемым EPROM-OTP (OTP от One Time Programmable), в которых запись производится электрическими сигналами путём заряда плавающих затворов. Изменить содержимое памяти уже нельзя, т. к. отсутствие в корпусе окошка исключает возможность облучения кристалла УФ-лучами.
Запоминающие элементы обоих типов ЗУ – МОП-транзисторы, над каналами которых созданы области, способные захватывать и удерживать электрический заряд, изменяющий пороговые напряжения транзисторов. В транзисторах с р-каналом введение в область-ловушку электронов (отрицательного заряда) создаёт электрическое поле, способствующее возникновению между истоком и стоком проводящего канала. В транзисторах c n-каналом заряд электронов, напротив, затрудняет создание проводящего канала и увеличивает пороговое напряжение транзистора, который не сможет включиться под действием рабочего напряжения. Возможность удалять и создавать заряд в области-ловушке обеспечивает перепрограммируемость ЗУ.
Конструктивно области-ловушки выполняются в виде:
1) границы между диэлектрическими слоями из разных материалов;
2) плавающих затворов.
2,23 МНОП-транзисторы, принцип работы как элемента памяти
При подаче импульса положительного напряжения +VGS на затвор вследствие разницы в величинах диэлектрических постоянных окисла и нитрида в окисле возникает сильное электрическое поле. Это поле вызывает, как показано на рисунке 6.17б, туннельную инжекцию электронов из полупроводника через окисел в нитрид. Инжектированные электроны захватываются на глубине уровня ловушек в запрещенной зоне нитрида кремния, обуславливая отрицательный по знаку встроенный в диэлектрик заряд. После снятия напряжения с затвора инжектированный заряд длительное время хранится на ловушечных центрах, что соответствует существованию встроенного инверсионного канала. При подаче импульса отрицательного напряжения -VGS на затвор происходит туннелирование электронов с ловушек в нитриде кремния в зону проводимости полупроводника, как показано на рисунке 6.17в. При снятии напряжения с затвора зонная диаграмма МНОП-структуры снова имеет вид, как на рисунке 6.17а, и инверсионный канал исчезает.
2,25 Классификация перспективных запоминающих устройств
Даже впечатляющий рост емкостей и быстродействия современных ЗУ не снимает вопроса о поиске еще более эффективных решений, т.к. сейчас многие средства обработки информации требуют огромных емкостей памяти чрезвычайно высокого быстродействия. Перспективные варианты новых типов ЗУ указаны на рис. 3.65.
Рис. 3.65. Классификация перспективных ЗУ
Наиболее зрелыми, уже достигшими уровня промышленного производства являются ЗУ ферроэлектрического типа (FRAM, Ferroelectric RAM), сочетающие высокие емкости и быстродействие с полезным свойством энергонезависимости. Такое сочетание свойств близко к идеалу, его не имеют ни статические, ни динамические ЗУ, ни EEPROM, ни FLASH-память.
MRAM – это магниторезистивные ЗУ (Magnetoresistive RAM). В схемах MRAM запоминающим элементом является участок магнитного материала, способный сохранять приданное ему состояние намагниченности независимо от наличия или отсутствия питания схемы. Иными словами, физические свойства используемых материалов придают MRAM естественную энергонезависимость. Элементы MRAM обеспечивают неразрушающее чтение информации.
Разновидностью ферроэлектрических ЗУ являются полимерные ферроэлектрические ЗУ (PFRAM, Polymeric Ferroelectric RAM). В этих ЗУ используются полимерные ферроэлектрические материалы (тонкие пленки), в которых образуются диполи. Участки с ориентированными диполями служат запоминающими элементами и в зависимости от направления поляризации хранят биты информации. Вследствие простоты запоминающего элемента и компактности конструкции в целом PFRAM имеют чрезвычайно высокие емкости при очень малой стоимости/бит. В то же время быстродействие PFRAM мало. Это исключает их применение в качестве ОЗУ, но для использования вместо дисковой памяти PFRAM весьма перспективны.
В памяти типа OUM (Ovonics Unified Memory) сочетаются интегральная технология и запоминающие элементы, свойственные компакт-дискам (CD, DVD), т.е. устройствам с подвижным носителем информации. В памяти типа OUM запоминающим элементом служит перемычка из халькогенидного сплава (GeSbTe), который может находиться в проводящем кристаллическом или непроводящем аморфном состоянии. Память считается весьма перспективной с точки зрения экономических показателей.