Репрограммируемые ЗУ (ЗУ типов EPROM и EEPROM).
В репрограммируемых ЗУ типов EPROM и EEPROM возможно стирание старой информации и замена ее новой в результате специального процесса. В ЗУ типа EPROM старая информация стирается путем засвечивания кристалла через прозрачное окно мощным ультрафиолетовым излучением. В ЗУ типа EEPROM стирание осуществляется подачей специальных электрических импульсов.
Запоминающими элементами современных репрограммируемых ЗУ являются транзисторы типов ЛИЗМОП (добавление ЛИЗ к обозначению МОП происходит от слов Лавинная Инжекция Заряда) и МНОП. МНОП-транзистор отличается от обычного МОП-транзистора двухслойным подзатворным диэлектриком. На поверхности кристалла расположен тонкий слой диоксида кремния SiO2, далее более толстый слой нитрида кремния Si3N4 (отсюда буква «Н» в аббревиатуре МНОП) и затем уже затвор (рис.5.4,а).
Рис.5.4. Структура МНОП-транзистора (а) и ЛИЗМОП-транзистора (б)
При создании электрического поля достаточно высокой напряженности носители заряда могут проходить через тонкую пленку оксида толщиной не более 5 нм и скапливаться на границе раздела слоев. После снятия электрического поля заряд остается захваченным приграничным слоем нитрида кремния и уже не рассасывается. Этот заряд и является носителем информации, хранимой МНОП-транзистором. В зависимости от направленности электрического поля можно создавать заряд любого знака.
Для МНОП-транзистора с N-каналом отрицательный заряд на границе раздела слоев повышает пороговое напряжение (компенсирует воздействие положительного напряжения на затворе, отпирающее транзистор). В результате рабочие напряжения на затворе транзистора не в состоянии его открыть.
При программировании ЗУ используют относительно высокие напряжения, около 20 В. После снятия напряжения прохождение носителей заряда через диэлектрик прекращается и заданное транзистору пороговое напряжение остается неизменным. ЗУ на основе МНОП-транзисторов может хранить записанную информацию десятками лет. Чтобы стереть записанную информацию, необходимо удалить носители заряда из приграничной области. Для этого подается напряжение, создающее электрическое поле противоположной направленности, и носители заряда через слой Si02 возвращаются в полупроводник.
Транзисторы типа ЛИЗМОП (рис.5.4,б) всегда имеют так называемый плавающий затвор, который может быть единственным или вторым, дополнительным к обычному управляющему затвору. Здесь так же, как и в МНОП-транзисторе, в область затвора можно вводить заряд. Только область введения заряда представляет собой не границу раздела слоев диэлектрика, а окруженную со всех сторон диэлектриком проводящую область, называемую плавающим затвором, введенный в нее как в ловушку заряд также может сохраняться в течение очень долгого времени. При подаче на управляющий затвор, исток и сток импульса положительного напряжения относительно большой амплитуды 20...25В в обратно смещенных p-n-переходах возникает лавинный электрический пробой. Часть электронов, имеющих энергию, достаточную для преодоления диэлектрической области, проникает — инжектируется в плавающий затвор. Снятие высокого программирующего напряжения восстанавливает обычное состояние областей транзистора и запирает электроны в плавающем затворе.
«Заряженный» транзистор подобно МНОП-транзистору остается всегда запертым. При отсутствии на плавающем затворе заряда транзистор работает в обычном ключевом режиме. Таким образом, в исходном состоянии все запоминающие элементы, выполненные на основе ЛИЗМОП-транзнсторов, хранят лог.1, а при программировании в них записываются лог.0.
Информация может стираться двумя способами — ультрафиолетовым облучением или электрическими сигналами.
В первом случае корпус ИС имеет специальное прозрачное окошко для облучения кристалла. Эти лучи вызывают в областях транзистора фототоки и тепловые токи, что делает области прибора проводящими и позволяет заряду покинуть плавающий затвор. Операция стирания информации этим способом занимает десятки минут, информация стирается сразу во всем кристалле.
Воздействие лучей приводит к постепенному изменению свойств полупроводниковых материалов, поэтому число циклов перепрограммирования ограничено до 10... 100.
Электрическое стирание информации осуществляется подачей на управляющие затворы низкого, а на стоки — высокого напряжения. При этом можно стирать информацию не со всего кристалла, а выборочно. Длительность процесса стирания значительно меньше, поэтому циклов перепрограммирования может быть гораздо больше — 104…106. В то же время схемы с электрическим стиранием занимают больше места на кристалле, в связи с чем уровень их интеграции меньше, а стоимость выше.
Структура матрицы запоминающих элементов на основе ЛИЗМОП-транзисторов аналогична структуре, изображенной на рис.5.2,б. Выборка строки матрицы осуществляется подачей импульсов в линии выборки, при этом «заряженные» транзисторы останутся запертыми, что соответствует лог.0, а «незаряженные» — откроются, что соответствует лог.1.
ФЛЭШ-память.
Разработка Флэш-памяти явилась наивысшим достижением развития схемотехники полупроводниковых программируемых ЗУ. По типу запоминающих элементов Флэш-память подобна памяти типа EEPROM с электрическим стиранием, но имеет целый ряд особенностей. В схемах Флэш-памяти не предусмотрено стирание отдельных слов, стирание информации осуществляется либо для всей памяти одновременно, либо для достаточно больших блоков.
Одновременное стирание всей информации ЗУ реализуется наиболее просто, но имеет один недостаток. При замене даже одного слова необходимо перезаписывать всю информацию. Поэтому наряду со схемами с одновременным стиранием всей информации имеются схемы с блочной структурой с размером блока от 256 байт до 128 кбайт.
Двумя основными направлениями эффективного использования Флэш-памяти являются хранение редко изменяемых данных и замена памяти на магнитных дисках. Для первого направления используется Флэш-память с адресным доступом, а для второго — файловая память.
Флэш-память с адресным доступом. Микросхемы этого типа могут осуществлять одновременное стирание как всей информации, так и отдельных блоков. Запись и стирание информации осуществляет не программатор, а сам процессор вычислительного устройства в обычном рабочем режиме. Для этого Флэш-память имеет дополнительное управление словами-командами, записываемыми процессором в специальный регистр микросхемы. При подаче специального напряжения программирования схема обеспечивает запись и стирание информации, а при его отсутствии работает как обычная микросхема ПЗУ. Перед программированием процессор считывает из микросхемы код — идентификатор, содержащий код фирмы-изготовителя и микросхемы. Эти сведения позволяют согласовать алгоритмы стирания и записи, что производится автоматически.
В режиме программирования работа микросхемы осуществляется под управлением внутреннего автомата, который управляет схемами- стирания и программирования памяти в соответствии с кодом команды. По команде стирания стираются все байты памяти или выбранного блока, после чего все они должны быть проверены. Если не все байты стерты, выполняется повторное стирание и проверка. Программирование памяти ведется байт за байтом. При этом проверяется записанная информация. Процессор считывает из ЗУ записанный байт и сравнивает его с исходным.
В схемах с блочным стиранием размер блоков разный. Один из блоков предназначен для хранения программного обеспечения базовой системы ввода/вывода микропроцессорной системы BIOS, необходимой для правильной эксплуатации системы, и аппаратно защищен от случайного стирания. В ЗУ есть также блоки параметров и главные блоки, не защищенные от случайного стирания. Отавные блоки хранят основные управляющие программы, а блоки параметров — относительно часто меняемые параметры системы.
В настоящее время выпускаются микросхемы Флэш-памяти с адресным доступом емкостью 8 Мбит, в последующих поколениях ожидаются ИС с информационными емкостями до 256 Мбит.
Файловая Флэш-память. В течение многих лет хранение больших объемов данных возлагалось в микроЭВМ на хорошо отработанные и сравнительно недорогие внешние ЗУ на магнитных, а впоследствии и оптических дисках. Во многих компьютерах система памяти организована как сочетание жесткого магнитного диска (винчестера) с динамическим полупроводниковым ОЗУ. Дисковые ЗУ, как электромеханические устройства, чувствительны к ударам, вибрациям и загрязнениям, имеют ограниченное быстродействие и значительное потребление мощности.
Файловая Флэш-память применяется для замены твердых дисков, так как она в сотни раз сокращает потребляемую мощность, повышает надежность ЗУ, уменьшает их размеры и вес, на несколько порядков повышает быстродействие при чтении данных. Если в компьютере с винчестером программа сначала должна быть считана с диска и записана в ОЗУ, то при использовании файловой Флэш-памяти необходимость в ОЗУ отпадает. Команды программы в этом случае читаются процессором непосредственно из файловой Флэш-памяти, туда же записываются и результаты. Операции с интенсивными вычислениями, требующие быстрейшего доступа к памяти, выполняются с использованием быстродействующей статической КЭШ-памяти.