Цифровая электроника

Постоянное запоминающее устройство

ПЗУ предназначено для долговременного хранения информации, не разрушаемой при отключении питания. Принцип работы ПЗУ поясняет схема, изображенная на рис. 6.9.

Рис. 6.9. Структурная схема масочного ПЗУ.

ПЗУ, изображенное на рисунке, хранит четыре восьмиразрядных слова. Диоды установлены в тех местах, где должны храниться биты, имеющие значение логического нуля. Дешифратор вырабатывает сигнал логического нуля на той строке, номер которой соответствует двоичному адресному коду A₀A₁. На тех выходных вертикальных линиях D₀ – D₈, в пресечении которых с выбранной горизонтальной линией установлены диоды, формируются сигналы логических нулей:

Таким образом, информация, хранимая в ПЗУ, определяется расположением диодов в пересечениях горизонтальных и вертикальных линий. При этом необходимое расположение диодов можно организовать двумя путями. В первом случае запись необходимой информации выполняется в ходе технологического процесса изготовления ПЗУ с использованием маскирующих фотошаблонов, причем запись информации производится в соответствии с технической документацией на данное ПЗУ. Такие ПЗУ называются масочными. Экономически оправданным является массовое производство масочных ПЗУ, так как изготовление масок требует больших затрат. Примерами таких ПЗУ являются ПЗУ с записанными программами работы станков с числовым управлением, преобразователи кодов и ряд других случаев, когда одна и та же информация используется в процессе работы множества однотипных устройств.

Во втором случае запись в ПЗУ осуществляет сам пользователь. Такие ПЗУ называются прожигаемыми ПЗУ. Запись информации в них производится с помощью специальных устройств, называемых программаторами. В процессе изготовления прожигаемых ПЗУ диоды устанавливаются во всех без исключения точках пересечения вертикальных и горизонтальных линий. Последовательно с каждым диодом включены плавкие перемычки, изготавливленные из материала с относительно большим удельным сопротивлением, обычно из поликристаллического кремния или нихрома. Фрагмент структуры чистого (не запрограммированного) прожигаемого ПЗУ изображен на рис. 6.10.

Рис. 6.10.Фрагмент схемы прожигаемого ПЗУ.

Если через горизонтальную и вертикальную линию пропустить импульс тока порядка 20 мА и длительностью 1 мс (этот импульс задается разностью потенциалов, создаваемой программатором), то плавкая перемычка выгорает и соответствующий диод оказывается отключенным. Таким образом, выплавляя перемычки можно получить нужную конфигурацию расположения диодов, т.е. произвести запись в ПЗУ необходимой информации. Очевидно, что однажды записанная таким образом информация не может быть изменена.

В реальных микросхемах ПЗУ вместо диодов обычно используются биполярные или полевые транзисторы. В масочных ПЗУ в пересечениях вертикальных и горизонтальных линий, которым соответствует логический нуль, соединительные транзисторы выполняются полностью. Если заданному пересечению соответствует логическая единица, то соответствующий транзистор лишают одной из его частей (одного из p-n-переходов или электродов). В прожигаемых ПЗУ в процессе изготовления микросхемы все транзисторы выполняют полными. В цепи эмиттера или стока последовательно напыляются плавкие перемычки, разрушаемые при программировании.

Отдельным классом ПЗУ выделяют перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ), которые обладают всеми достоинствами ПЗУ, т.е. позволяют сохранить записанную в них информацию при отключении питания. В то же время они допускают стирание записанной информации и запись новой. Схема ППЗУ (рис. 6.11,а) почти полностью совпадает с ранее рассмотренной схемой ПЗУ с той разницей, что в точках пересечения горизонтальных и вертикальных линий вместо диодов включены специальные МДП-транзисторы (металл-диэлектрик-полупроводник) с так называемым изолированным затвором.

Рис. 6.11.Фрагмент схемы ППЗУ и структура МДП-транзистора с изолированным затвором.

Подложка транзистора выполнена из полупроводника n-типа (рис. 6.11,б). Две области полупроводника p-типа представляют собой соответственно исток и сток. К ним примыкают металлические электроды, с помощью которых транзистор включается между вертикальной и горизонтальной линиями. Промежуток между истоком и стоком покрыт слоем двуокиси кремния, затем располагается затвор, выполненный в данном случае из кремния, и снова слой двуокиси кремния. Затвор полностью изолирован.

В обычном состоянии участок исток-сток транзистора электрический ток не проводит. Однако если приложить между истоком и стоком большое напряжение (приблизительно 80 В), то затвор зарядится в результате инжекции электронов. Такой процесс называется зарядкой через влияние. В дальнейшем заряд затвора будет сохраняться достаточно долго. Благодаря весьма высокому качеству диэлектрика из двуокиси кремния при температуре +125 ⁰С заряд уменьшается на 70 % первоначального значения примерно за 10 лет. Отрицательный заряд на затворе притягивает дырки, создает в n-области проводящий p-канал между истоком и стоком, т.е. транзистор оказывается в проводящем состоянии.

Стирание информации производится путем облучения микросхемы ультрафиолетовым светом через прозрачное кварцевое окошечко в корпусе. При этом за время приблизительно равное 10 минутам происходит снятие заряда с затворов транзисторов путем выбивания из них фотоэлектронов. В результате транзисторы устанавливается в непроводящее состояние и микросхема ППЗУ готова к новой записи информации. Чтобы записанная информация в ППЗУ с ультрафиолетовым стиранием не разрушалась под действием естественного солнечного света и осветительных приборов, кварцевое окошечко микросхемы необходимо заклеивать светонепроницаемым материалом.

Помимо ППЗУ с ультрафиолетовым стиранием выпускаются ППЗУ с электрическим стиранием информации. Процесс стирания информации в таких ППЗУ осуществляется подачей специальных электрических сигналов в течение определенного времени. В качестве соединительного транзистора в электрически стираемых ППЗУ используется МНОП-транзистор. Он имеет следующую структуру: металл — нитрид кремния – оксид — полупроводник. Между затвором и полупроводником находятся два разных слоя диэлектрика. Использование таких ППЗУ позволяет осуществлять процесс программирования, не извлекая микросхему из устройства, в котором она эксплуатируется.

Контрольные вопросы.

1. Проведите сравнительный анализ БИС ОЗУ статического и динамического типов.

>2. Поясните принцип функционирования ячейки ОЗУ статического типа.

3. Какие функции в микросхеме памяти выполняют дешифраторы строк и столбцов?

4. Какова общая последовательность подачи управляющих сигналов на микросхемы ОЗУ статического типа в режиме чтения и записи?

5. Какие способы увеличения объема хранимой информации при организации модулей оперативной памяти Вам известны?

6. Поясните принципы функционирования микросхем ОЗУ динамического типа.

7. Как организуется хранение информации в микросхемах ПЗУ?

8. Как реализуется возможность записи информации в прожигаемые ПЗУ?

9. Каким образом реализуется стирание и запись информации в ППЗУ?