4.3 Постоянные запоминающие устройства

В постоянных запоминающих устройствах (ПЗУ) в отличие от ОЗУ производится только считывание информации. Здесь по каждому n-разрядному адресу записано в общем случае m-разрядное слово. Микросхемы ПЗУ можно разделить на два типа: программируемые единожды и перепрограммируемые. Первый тип можно разделить на масочные ПЗУ и программируемые пользователем при помощи плавких перемычек.

Накопитель ПЗУ обычно выполняют в виде системы взаимно перпендикулярных шин, в пересечениях которых находится логический элемент, связывающий две шины и определяющий записанный в ячейку ноль или единицу. Выборка слов в ПЗУ осуществляется с помощью дешифратора адреса. В масочных ПЗУ информация в микросхему заносится при изготовлении построением одного из слоев схемы при помощи фотошаблона, что и определяет их название.

Большее распространение получили микросхемы ПЗУ, выполненные на базе запоминающих ячеек с плавкими перемычками. В этих микросхемах элементом связи между шинами является биполярный транзистор VT с выжигаемой плавкой перемычкой ПП (рисунок 4.6).

При однократном программировании для записи нуля через соответствующий эмиттерный переход транзистора пропускается импульс тока, необходимый для удаления перемычки. Перемычки изготавливаются из нихрома, поликристаллического кремния или алюминия. После прожига перемычки производится термообработка микросхемы для того, чтобы после прожига перемычек они не смогли бы восстановиться, так как при восстановлении удаленной перемычки информация, записанная в микросхеме, будет искаженной. Для предотвращения ошибок в программируемых ПЗУ микросхема выдерживается в течение суток при температуре 100 С.

Программируемые ПЗУ на основе МДП-транзисторов обладают достаточно большой информационной емкостью и низкой потребляемой мощностью.

Для расширения диапазона использования БИС ЗУ создана память ‑ репрограммируемые постоянные запоминающие устройства (РПЗУ), способные многократно перепрограммироваться и сохранять информацию при отключенном питании. Они основаны на МДП-структурах. В основе лежит идея создания бистабильных МДП-транзисторов, которые могут находиться в одном из двух состояний, соответствующих хранению логической единицы или нуля.

Перепрограммируемые ПЗУ ‑ это микросхемы ПЗУ с электрическим программированием и ультрафиолетовым стиранием и ПЗУ с электрическим программированием и электрическим стиранием.

Запоминающие репрограммируемые ячейки РПЗУ строятся на n-МОП или на КМОП-транзисторах. Для построения запоминающей ячейки используются различные физические явления хранения заряда на границе между двумя различными диэлектрическими средами или поводящей и диэлектрической средой.

В первом случае диэлектрик под затвором МОП-транзистора делается из двух слоев: нитрида кремния и двуокиси кремния. Или это структура МНОП: металл – нитрид кремния – окись – полупроводник. Толщина диоксида кремния делается очень тонкой (до 10 нм). В такой структуре при высоком напряжении на затворе (около 30 В) происходит туннельное перемещение носителей заряда через слой диоксида кремния к границе двух диэлектриков, вблизи которой имеется много ловушек для носителей заряда. В результате такого перемещения внутри диэлектрика образуется некоторый заряд, который при неизменном напряжении на затворе будет изменять ток считывания, протекающий через транзистор. Тем самым определяется информация, записанная в микросхему.

В другом случае используются так называемые лавинно-инжекционные транзисторы с плавающим затвором. Такой затвор не имеет выводов и со всех сторон окружен диэлектриком. При подаче на сток или исток высокого напряжения (примерно 40 В) через транзистор будет протекать ток лавинной инжекции, затвор получит определенный заряд и, следовательно, будет влиять на ток считывания. Поскольку затвор окружен со всех сторон диэлектриком, ток утечки заряда очень мал, и заряд может сохраняться десятки тысяч часов.

Перед перепрограммированием данных схем необходимо стереть записанную ранее информацию. Так как затвор изолирован, то для стирания используется ультрафиолетовое свечение. При этом заряд, накопленный затвором, под действием излучения рассасывается.

Также применяют и электрический способ стирания информации. В этом случае под плавающий затвор вводят второй — управляющий. Подача напряжения на управляющий затвор приводит к рассасыванию заряда за счет туннельного эффекта.