5.2. Запоминающие элементы статических ОЗУ

Рис. 5.5. Запоминающий элемент - триггер - на основе МОП структуры

+U пит

VT1

Вх. Вых.

VT2

Рис. 5.6. Инвертор на комплементарных МДП транзисторах

Комплементарный МДП транзистор (КМДП) представляет собой последовательное включение двух МДП транзисторов с каналами разного типа проводимости (рис. 5.6). Входом служат соединённые вместе затворы, выходом - истоки. Сопротивление между истоками очень велико, что обуславливает на 2-3 порядка меньшую, чем у ТТЛ, ЭСЛ, мощность потребления - в статическом режиме тысячные доли милливатт. КМДП транзисторы являются наиболее экономичными из широко используемых типов.

В случае применения в качестве диэлектрика в МДП транзисторах окисла кремния (слой SiO2) получают МОП-структуру, а в случае последовательного включения двух транзисторов с каналами разного типа проводимости - КМОП-структуру. На основе КМОП технологии созданы микросхемы памяти серии КР537 типов РУ4А, Б, РУ10, РУ11А, Б, РУ 13, РУ14, РУ17, параметры которых приведены также в таблице Приложения. Микросхемы типа КР573А, Б имеют информационную емкость 8Кх8-разрядних слов, время выборки не более 220 нс, потребляют мощность в режиме хранения не более 22 мВт, в режиме обращения - не более 470 мВт, напряжение источника питания 5 В ±10%.

Наряду с кремнием в качестве материала для изготовления быстродействующих интегральных микросхем в последнее время стал использоваться арсенид галлия (GaAs), что связано со следующими преимуществами: более высокая, в 5-6 раз, подвижность электронов, что и обуславливает увеличение быстродействия, а также на 2-4 порядка большее, чем у кремния, удельное сопротивление нелегированного арсенида галлия, позволяющее создавать полуизолированные подложки. Определённым ограничением в использовании арсенида галлия является высокая стоимость исходного материала, менее отработанные и более сложные технологические процессы и худшая, чем у кремния, теплопроводность.

Основным активным элементом микросхем на основе арсенида галлия является транзистор с барьером Шотки - полевой транзистор. По сравнению с подобным транзистором, выполненным из кремния, транзистор на арсениде галлия обладает в 6 раз большей крутизной ВАХ и почти в 5 раз меньшей работой переключения. Границы частот транзистора лежат в пределах до 15 ГГц, время задержки - сотни пикосекунд. Наибольшее применение в сверхбыстродействующих БИС получили нормально открытые полевые транзисторы в инверторе и сборка диодов Шотки - диодно-полевая логика (ДПЛ), представленные на рис. 5.7. Микросхема памяти на базе арсенида галлия К6500РУ1 обладает информационной ёмкостью 1Кх1-разрядных слов, время выборки 4 нс, потребляемая мощность - менее 1,6 мВт.

Рис. 5.7. Схема инвертора ДПЛ технологии

Дальнейшим шагом по пути повышения плотности упаковки интегральных микросхем памяти явилось применение в качестве запоминающих элементов биполярных транзисторов с инжекционным питанием. Основой транзисторов с инжекционным питанием является эффект нарушения электрической нейтральности базы при непосредственном вводе в неё (инжекции) избыточных носителей заряда. В структуре транзистора имеется специальный электрод-инжектор (генератор тока), обеспечивающий постоянный ввод избыточных носителей в базу n-р-n транзистора.

Элементы с инжекционным питанием имеют ряд достоинств. По плотности размещения элементов они почти на порядок превосходят обычные транзисторные схемы, в первую очередь из-за отсутствия резисторов, занимающих большие площади на кристалле. В приборах с инжекционным питанием элементы соединены непосредственно. Один инжектор используется на 10-20 элементов. В элементах отсутствует изолирующий р-n переход. Всё это также сказывается на уменьшении размеров. По потребляемой мощности инжекционные элементы являются одними из самых экономичных (0,01-0,1 мВт). Время задержки сигнала в элементах невелико - 5-10 нс. Работа переключения (произведение времени задержи на потребляемую мощность) очень мала, порядка 1 пДж. Перечисленные свойства элементов с инжекционным питанием обуславливают их перспективность и широкое применение в БИС с повышенной степенью интеграции.

Начало 90-х годов характеризуется возрождением биполярной технологии. Это связано в первую очередь с большим быстродействием и масштабированием элементной базы. Последние достижения биполярной технологии и уменьшение литографических размеров наряду с новыми схемотехническими разработками позволили значительно снизить величину задержи переключения. Созданы высокопроизводительные CБИC на основе кремниевых комплементарных биполярных вертикальных р-n-р транзисторных структур. В них использован двухтактный выходной каскад на комплементарных биполярных транзисторах, который по потребляемой в статическом режиме мощности близок к КМОП-вентилю.

Однако вертикальным комплементарным транзисторным структурам присущи такие недостатки, как протяжённость во времени технологического цикла и значительные, в силу использования несовмещенных технологий, площади р-n переходов и транзисторных структур в целом.

5.3. Запоминающие элементы динамических ОЗУ

Запоминающие элементы динамических ОЗУ построены на базе МОП транзисторов. Здесь используется тот факт, что у МОП транзистора высокое входное сопротивление. Это позволило построить схемы ЗЭ, у которых входной ток близок к нулю. В основу положен принцип накопления и восстановления - регенерации - заряда на затворе МОП транзистора. Основой ЗЭ является паразитная ёмкость Сп, накапливающая заряд. Из-за постепенного

разряда Сп за счёт токов утечки необходимы схемы восстановления, регенерации заряда. Периодическое, а не постоянное поступление энергии в ЗЭ позволяет сократить потребляемую мощность и упростить схему, что снижает размер площади и увеличивает плотность компоновки на кристалле. На рис. 5.8 приведена схема ЗЭ динамического типа. В режиме записи VТ1 и VT3 совмещают функции возбуждения разрядных шин и нагрузки для транзисторов триггера VT2, VT4.

Рис. 5.8. Динамические ЗЭ на МОП транзисторе

Врежиме записи подаются положительный импульс в адресную шину ША и отрицательный в разрядную шину ШР1 либо ШР2 в зависимости от того, записывается логический 0 или логическая единица. При этом VT1 или VT3 открывается, информация заносится

втриггер. Информация хранится в виде зарядов паразитных емкостей Сп1 и Сп2, причём «0» хранится неограниченное время, а «1» из-за токов утечки должна периодически восстанавливаться. Для регенерации информации периодически возбуждается шина ША, и одновременно на разрядные шины подается одинаковое по знаку напряжение низкого уровня в случае р-канальных транзисторов. В этом состоит одна из отличительных особенностей динамических ОЗУ.

Врежиме считывания возбуждают ША, как бы подключая источник питания к триггеру, и ток считывания через VT1 или VT3 поступает в соответствующую ШР - в ШР0, если хранился «0», или в ШР1, если хранилась «1».

Технологически проще выполняются ЗЭ на МОП транзисторах с диодами Шотки, схема которого приведена на рис. 5.9. Для регенерации информации периодически в адресную шину подаются импульсы с частотой порядка 1кГц. Потребляемая мощность в режиме хранения гораздо ниже, чем у статических ЗЭ на МОП транзисторах. Время выборки - менее 10 нс.

Рис. 5.9. Запоминающий элемент на МОП транзисторах и диодах Шотки

Дальнейшее совершенствование динамических ЗЭ привело к созданию ЗЭ на одном транзисторе. В его схеме присутствует конденсатор С ёмкостью порядка 400 пФ. Площадь такого ЗЭ вдвое меньше, чем площадь ЗЭ на трёх транзисторах для статических ЗУ. Cxeмa статического элемента приведена на рис. 5.10. При записи «1» транзистор открывается, и конденсатор С заряжается до потенциала шины ШР. При записи «0» ток через транзистор не протекает и конденсатор не заряжается.

ША

R

ШР

Cп C

Рис. 5.10. Запоминающий элемент на одном МОП транзисторе

Врежиме считывания подают импульс низкого уровня в адресную шину ША, тогда на ШР заряд изменяется или нет в зависимости от того, записан «0» или «1»; заряд с С поступает в ШР.

Динамические ЗЭ по сравнению со статическими обладают рядом преимуществ: меньшее число транзисторов, вплоть до одного, обуславливает большую плотность размещения, меньшую потребляемую мощность, дешевизну изготовления и более высокое быстродействие. На одном кристалле можно разместить до 16 К запоминающих элементов. Так, микросхема типа К565РУ3А на основе n-МОП структуры обладает информационной ёмкостью 16Кх1р, время выборки менее 200 нс, потребляемая мощность - 0,04 мВт/бит. Недостатком динамических ЗЭ на МОП транзисторах является необходимость регенерации информации.

Как статическим, так и динамическим ЗЭ на МОП транзисторах присущ общий недостаток, а именно: потеря информации при аварийном выключении питания. Этот недостаток устраняется путём автоматического перехода на аварийное питание от аккумуляторов.

С целью исключения зависимости хранения от аварийного отключения созданы полупроводниковые ЗЭ с гистерезисными, как у магнитных материалов, свойствами. Для этого

кроме слоя окиси кремния SiO2 под затвор вводится слой нитрида кремния Si3N4 или слой алунда Al2O3, и получаются, таким образом, МОП транзисторы с двухслойной изоляцией, называемые МНОП и МАОП соответственно. Сопротивление слоя нитрида значительно выше, чем сопротивление слоя оксида кремния. Принцип работы МНОП транзистора связан с накоплением заряда на границе между двумя слоями диэлектрика и влиянием этого заряда на величину порога напряжения срабатывания транзистора. При подаче логического 0 на затвор МНОП транзистора с индуцированным каналом р подаётся импульс положительной полярности порядка 30-50 В. Это вызывает туннелирование электронов из подложки под затвор. Из-за очень высокого сопротивления слоя нитрида кремния электроны будут накапливаться на границе раздела между диэлектрическими слоями. Накопление заряда приведёт к установлению низкого (1.5- 4В) порогового напряжения. Благодаря хорошим диэлектрическим свойствам слоев накопленный заряд может оставаться неизменным в течении нескольких тысяч часов при отсутствии питания, а в некоторых специальных разработках в течении нескольких лет.

При записи логической 1 подаётся импульс отрицательной полярности порядка -30 В, вызывая переход электронов в диэлектрическую подложку. При этом на границе между слоями диэлектрика образуется положительный заряд, что сопровождается увеличением порогового напряжения до - 20В.

Врежиме считывания на затвор подаётся напряжение, достаточное для перевода транзистора в проводящее состояние, если был записан «0», и недостаточное, если «1». Таким образом, МНОП транзисторы имеют два установившихся состояния с различным пороговым напряжением и используются как запоминающие элементы, длительно сохраняющие информацию при снятии напряжения питания. Параметры динамических БИС ЗУ приведены в Приложении.