8.2. Репрограмовані пзп

Репрограмованими називають ПЗП, які є енергонезалежними приладами і інформація в яких може неодноразово перезаписуватись. Ця група запам’ятовуючих пристроїв привертає до себе дуже велику увагу розробників, оскільки забезпечує високу надійність зберігання записаних у них даних. Тому вони мають високу динаміку розвитку і оновлення.

8.2.1. Принципи побудови репрограмованих пзп

Рис. 8.10

Історично першими з них були розроблені одноразово програмовані РПЗП (PROM – Programmable ROM, OTP ROM – One Time Programmable ROM) на основі запам’ятовуючих матриць, елементами пам’яті в яких використовувались перепалювані ніхромові перемички (рис. 8.10, а – б) або p-n- переходи напівпровідникових приладів (рис. 8.10, в – г).

В елементах пам’яті, приведених на рис. 8.10, а – б, у вихідному стані біт інформації відповідає логічній одиниці. Це пояснюється тим, що при дешифрації рядка Х матриці, тобто при X = 1, сигнал високого рівня передається на шину Y через діод VD та перемичку R. Запис логічного нуля забезпечується подачею короткочасного і потужного імпульсу напруги, який перепалює перемичку.

В елементах пам’яті, зображених на рис. 8.10, в – г, у вихідному стані зберігається нуль, адже шини X та Y з’єднані зміщеним у зворотному напрямку переходом стабілітрона VD1 (рис. 8.10, в) та переходом колектор-база транзистора VT (рис. 8.10, г). Якщо перехід пробити імпульсом високої напруги, то в елемент пам’яті буде записана одиниця.

При використанні ТТЛШ-технології матриця пам’яті створювалась на основі багатоемітерних транзисторів (рис. 8.11).

Рис. 8.11

Вона вигідно відрізнялась від діодних структур тим, що перепалення необхідних перемичок забезпечується струмом, який протікає через емітер транзистора. Керування струмом емітера забезпечується значно меншим струмом бази, а, відповідно, дешифратор рядків може виготовлятися значно меншої потужності. На основі ТТЛШ-технології виготовлялися програмовані ПЗП серії 556 (556РТ4…РТ18) з інформаційною ємністю до 64 Кбіт і часом вибору даних до 70 нс.

Сучасні РПЗП будуються на основі МОН-структур і мають значно більші можливості, оскільки інформація в них може бути замінена багаторазово. Вони розділяються на такі групи:

• EPROM (Electrically Programmable ROM) або РПЗП-УФ (репрограмовані ПЗП з ультрафіолетовим стиранням записаної інформації);

• EEPROM (Electrically Erasable PROM) або РПЗП-ЕС (репрограмовані ПЗП з електричним стиранням записаної інформації);

• пам’ять типу flash (флеш).

Особливість цих типів мікросхем полягає в тому, що запис інформації в них, який забезпечується електричними імпульсами, проходить значно повільніше, ніж читання, що є принциповою різницею між ними та пристроями оперативної пам’яті. Запам’ятовуючими елементами в них є спеціальні транзистори МОН-типу, в яких підзатворний ізоляційний діелектрик складається з двох шарів – тонкого (двоокис кремнію Si O₂) та товстого (нітрид кремнію Si₃ N₄) (рис. 8.12) (завдяки появі допоміжного шару на основі нітриду кремнію ці транзистори отримали назву МНОН).

Рис. 8.12

Особливість транзисторів проявляється у появі на межі розподілу двох ізоляційних шарів центру захоплення заряду та його зберігання. Накопичення заряду відбувається за рахунок створення явища тунелювання основних носіїв з р- структури при прикладанні до затвору негативної напруги по відношенню до підкладки. Насичений позитивний заряд між шарами приводить до зниження величини порогової напруги. При відсутності заряду або при наявності заряду протилежної полярності величина порогової напруги залишається незмінною або зростає. Накопичені заряди зберігаються в описаній структурі як при наявності зовнішньої напруги, так і при її відсутності. РПЗП на основі МНОН-транзисторів можуть зберігати записану інформацію десятиріччями. Робота матриці пам’яті на основі МНОН-структур пояснюється рис. 8.13.

Рис. 8.13

Високий рівень на шині вибору X_i приводить до того, що в транзисторах з низьким пороговим рівнем створюється канал для протікання струму, і на відповідних виходах Y_i створюється високий рівень сигналу, еквівалентний логічній одиниці. Якщо ж у транзисторі при записі створений високий порогів рівень, то канал не створюється, і на відповідному виході матимемо низький рівень вихідного сигналу.

Для створення заряду у міжшаровому проміжку на затвор транзистора необхідно подавати напругу, що значно перевищує напругу зчитування. Для того, щоб записати нову інформацію, раніше записана інформація має бути попередньо стертою.

Інший тип транзисторів, який широко використовується при побудові сучасних репрограмованих ПЗП, є транзистори МОН з лавинною інжекцією заряду (ЛІЗМОН). Цей тип транзисторів відрізняється від інших тим, що він має так званий плаваючий затвор (ПЗ) (рис. 8.14). У мікросхемах пам’яті зі стиранням інформації шляхом ультрафіолетового опромінення області затвора транзистора (EPROM) він єдиний. У мікросхемах з електричним стиранням записаної інформації (ЕЕРROM) він є допоміжним, на який заноситься заряд, що приводить до підвищення величини порогової напруги транзистора.

Рис. 8.14

Оскільки плаваючий затвор ізольований з усіх сторін, то занесений на нього заряд може зберігатись протягом тривалого часу. Запис інформації на плаваючий затвор забезпечується тим, що при подачі на затвор, витік та стік високої позитивної напруги по відношенню до підкладки у зворотно-зміщених р-n- переходах створюється повинний пробій з високою концентрацією і енергією електронів. Плаваючий затвор розміщується так, що частина електронів, енергія яких перевищує визначений рівень, долають діелектричний бар’єр шару діелектрика і потрапляють на нього. Цим створюється постійний заряд плаваючого затвору, що збільшує порогову напругу транзистора і може зберігатись десятки років.

При подачі високого рівня напруги на фіксований затвор у транзисторі з плаваючим затвором канал між витоком та стоком не створюється, і цим забезпечується запис логічного нуля.

Стирання інформації, записаної в мікросхему пам’яті, яку виготовлено на основі ЛІЗМОН, базується на створенні умови для стікання заряду з плаваючого затвору. Це досягається одним з двох шляхів, що раніше згадувались. Перший з них передбачає наявність в мікросхемі спеціального віконця, через яке опромінюється напівпровідникова структура. Оскільки вибрані ізоляційні матеріали є прозорими для ультрафіолетового опромінення, то створені в приладі фотоструми, а також теплові струми забезпечують стікання заряду. Така процедура стирання займає десятки хвилин, але забезпечує одночасне стирання інформації по всьому кристалу. Оскільки ультрафіолетове опромінення призводить до зміни властивостей матеріалу, то кількість циклів перепрограмування обмежується десятками разів.

Спосіб електричного стирання забезпечується подачею на стоки транзисторів високої напруги протилежної полярності при низькому рівні напруги на затворах. При цьому створюються умови для стікання (витіснення) заряду з плаваючого затвора на стік.

Переваги діелектричного способу стирання дуже суттєві. Перш за все, значно збільшується швидкість стирання, яка у сучасних мікросхемах відноситься до циклу запису і не перевищує декількох десятків мілісекунд. Електричний спосіб стирання не впливає на структуру напівпровідника та ізоляційного матеріалу, тому кількість циклів перезапису зростає до 10⁶, а інтервал часу зберігання даних – до 100 років.

З’являються нові можливості при роботі з мікросхемами пам’яті. Можливо здійснювати вибірковий перезапис – по окремих адресах або окремі сторінки. Оскільки у сучасних мікросхемах висока напруга для перезапису створюється безпосередньо в корпусах на основі ємнісних накопичувачів, то при цьому проблеми перезапису зводяться до задач керування і алгоритмів керування цими процесами. Мікросхеми пам’яті при цьому можуть залишатись на своєму місці у друкованій платі.

Суттєво розширюються можливості зберігання інформації, обмеження доступу до зчитування записаної інформації. З’явилась можливість використання режиму енергозбереження, яка полягає в тому, що живлення до модулів мікросхеми подається лише на інтервали часу, коли до мікросхеми йде звернення від зовнішніх пристроїв, подібно до ПЗП (на рис. 8.7 режим енергозбереження забезпечується підключенням живлення через входи РО (Power On) модулів при зверненні до мікросхеми по входу ).