2.3.3. Стираемые программируемые пзу (сппзу, англ. Eprom – Erasable Programmable rom)

EPROM – такой тип ПЗУ, который допускает стирание информации и перепрограммирование столь часто, сколько это необходимо. Базовым для таких ЗУ, очевидно, является режим чтения. Срок хранения информации составляет несколько лет. Износостойкость – до 10⁷ циклов стирания/записи. Время записи (порядка миллисекунд) значительно превышает время чтения, для записи необходимы специальные программаторы. Запись в микросхему EPROM осуществляется электрическими сигналами, а стиранием – ультрафиолетовым излучением.

Первые коммерческие продукты EPROM появились в 70-х годах, когда фирмой Intel была разработана технология FAMOS (микросхемы серии 27хх).

Свойство перепрограммирования обеспечивается применением ЭП со свойствами управляемых «перемычек», функции которых выполняют транзисторы со структурой МНОП (металл Аl – нитрид кремния Si₃N₄ – окисел кремния SiO₂ – полупроводник Si) и транзисторы п-МОП с «плавающим» затвором (ПЗ) с использованием механизма лавинной инжекции заряда (ЛИЗМОП, англ. FAMOS – floating-gate avalanche-injection MOS).

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. 2.9.). 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 раздела 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. 2.9. Структура МНОП-транзистора.

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.

Элемент памяти со структурой МНОП представляет собой МДП-транзистор с индуцированным каналом р- или п-типа, имеющий двухслойный диэлектрик под затвором. Верхний слой формируют из нитрида кремния, нижний – из окисла кремния, причем нижний слой значительно тоньше верхнего.

Если к затвору относительно подложки приложить импульс напряжения положительной полярности с амплитудой 30..40 В, то под действием сильного электрического поля между затвором и подложкой электроны приобретают достаточную энергию, чтобы пройти тонкий диэлектрический слой до границы раздела двух диэлектриков. Верхний слой (нитрида кремния) имеет значительную толщину, так что электроны преодолеть его не могут.

Накопленный на границе раздела двух диэлектрических слоев заряд электронов снижает пороговое напряжение. Это состояние ЭП соответствует логической 1. Режим занесения заряда под затвор называют режимом программирования.

Логическому 0 соответствует состояние транзистора без заряда электронов в диэлектрике. Режим вытеснения заряда из подзатворного диэлектрика называют режимом стирания. Для снятия заряда с затвора на матрицу EPROM через прозрачную кварцевую крышку подается УФ излучение. При этом происходит фотоэмиссия «горячих» электронов, которое переводит все транзисторы устройства в непроводящее состояние (подача УФ излучения на 10-20 мин полностью возвращает все запрограммированные транзисторы в исходное состояние). В схемах с УФ-стиранием число циклов перепрограммирования су­щественно ограничено, т. к. под действием ультрафиолетовых лучей свойст­ва материалов постепенно изменяются.

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

Рассмотрим одну из первых ЕРROM-микросхем – Intel 2716.

Рис. 2.10.

OE — управление входным буфером (Output Enable).

СЕ — разрешающий входной управляющий сигнал. Выполняет двоякую функцию:

а) в режиме нормального функционирования низкое значение потенциала на CE и OE обеспечивает выполнение операции чтения из данного ПЗУ и разрешает работу его внутренних схем (функция выбора кристалла). Считываемое слово по выходам D0 – D7 поступает на шину данных. Значение высокого потенциала на CE означает состояние покоя, при этом схема потребляет меньше энергии (~130 мкВт), чем в активном режиме (~500 мкВт).

б) в режиме программирования на вход CE подаются импульсы амплитудой 5 В и длительностью 50 мс, которой достаточно для перезаписи ячейки ПЗУ. При этом на адресных входах задается требуемый адрес, а на линиях D0 – D7, которые теперь выполняют роль входов, задается подлежащее записи слово. Состояние входа OE = 1 (+5 В). Для проверки правильности записи обычно проводится контрольное считывание ячейки.

Питающее напряжение V_cc = +5 B, V_pp = +25 B.

Процесс записи информации осуществляется следующим образом: на адресные входы задается требуемый адрес, на шину данных, которая является входной, задается требуемое слово, при этом сигнал ОЕ – высокий. Питающее напряжение: V_cc = +5 B, V_pp = +25 B. Прикладывается импульсное напряжение к СЕ и в течение интервала времени t = 50 мкс в ячейку заносится требуемое слово. Чтобы проверить правильность записи, проводится контрольное считывание ячейки. Считывание осуществляется путем подачи низкого потенциала на ОЕ и СЕ. При этом соответствующие напряжения отсоединяются от D0 – D7 , адрес остается тот же, а выходные значения считываются на D0 – D7 .

Такой процесс можно производить как вручную, так и автоматически.

Недостатки EPROM: 1) при необходимости изменения хотя бы одного разряда нужно стирать всю информацию с EPROM, а затем переписывать ее заново; 2) для программирования микросхему EPROM нужно вынуть из платы и поместить в программатор; 3) ограниченное количество циклов стирания.

В настоящее время имеются ЗУ типа EPROM с информационной емкостью до 8 Мбит при временах доступа 45 нс (фирма Atmel).