Дипломная работа: Машинная память

Полупроводниковые устройства памяти

Элементы полупроводникоывх интегральных схем

В настоящее время разработаны различные виды машинной памяти. Одни конструктивно-технологически хорошо развиты, другие находятся на стадии снятия с производства. Появляются и новые типы машинной памяти, такие, как акустическая, магнитоэлектронная, электронно-оптическая, некоторые из них уже входят в стадию промышленной эксплуатации, например память на цилиндрических магнитных доменах.

Однако основным видом машинной памяти по совокупности признаков в настоящее время является полупроводниковая память на интегральных схемах (ИС).

Это объясняется рядом причин.

По универсальности применения и удобству подключения полупроводниковые ИС нельзя сравнить ни с какими другими ячейками памяти. Немаловажно и то, что полупроводниковая технология имеет в своем арсенале достаточно средств для перевода на интегральную основу любых известных схемотехнических решений и создания новых схем.

В конструктивном отношении полупроводниковые ИС представляют собой полупроводниковый кристалл, в объеме или на поверхности которого сосредоточены изолированные друг от друга элементы, соединенные согласно электрической схеме. Обычно каждому элементу схемы соответствует локальная область материала, свойства и характеристики которой обеспечивают выполнение определенных функций. Основу составляет транзисторная структура, которая является базовой для реализации всех входящих в схему активных и пассивных элементов.

Для построения полупроводниковых ЗУ используются ИС на биполярных транзисторах и на полевых транзисторах со структурой металл - диэлектрик - полупроводник (МДП-транзисторы).

В настоящее время четко обозначились два направления: в ИС на полевых транзисторах стремятся достичь максимальных степеней интеграции при умеренном быстродействии и малой потребляемой мощностью, тогда как на биполярных транзисторах строятся сверхскоростные ИС, которые можно было использовать как элементную базу сверхбыстродействующих ЭВМ.

Скорость переключения биполярного транзистора из одного состояния в другое , а значит и быстродействие ЗУ, определяется как параметрами самого прибора, так и схемой его включения. Практическая скорость срабатывания современных серийных элементов на биполярных транзисторах составляет 10-9 - 10-8 с. Минимальное время переключения определяется временем, в течение которого носители заряда проходят через базу транзистора бьлагодаря процессу диффузии.

В настоящее время наиболее распространенным материалом транзисторов является кремний. Подвижность электронов в кремнии ~ 0,1м2/(В*с). Наиболее перспективный материал для изготовления биполярных транзисторов ближайшего будущего - арсенид галлия (GaAs) - обладает подвижностью электронов около 1 м2/(В*с).

Полевые транзисторы имеют некоторое преимущество перед биполярными приборами. Они обладают высоким входным сопротивлением и могут работать при больших напряжениях на входе. Кроме того, управляемый ток в полевом транзисторе - это ток основных носителей заряда, который гораздо лучше реагирует на быстрые внешние сигналы.

Различные типы полевых транзисторов отличаются друг от друга принципом действия затвора. Существуют транзисторы, в которых роль затвора играют контакт металл-полупроводник, структура металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) и т.д.

Характерной особенностью МДП-транзисторов является чрезвычайно высокое сопротивление между электродами. Это позволяет использовать электроды транзистора в качестве емкостных накопительных элементов, потенциал которых сохраняется на определенном уровне в течение продолжительного времени после отключения внешнего источника. Практическая скорость срабатывания МДП-ячейки составляет 5*10-9 с.

Элемент памяти - триггер. Транзисторы и логические схемы на их основе сами по себе элементами памяти быть не могут, так как после прекращения действия входного импульса сразу возвращаются в исходное состояние.

Для элемента памяти нужно устройство, которое под действием входного сигнала могло бы переключаться из состояния 0 в состояние 1 и обратно и при этом после прекращения действия входного импульса запомнило бы свое состояние и могло находиться в нем неопределенно долго (до прихода следующего переключающего входного сигнала). Такие электронные схемы, имеющие два равнозначных варианта устойчивых значений, называют бистабильными ячейками или триггерами.

Так как входной сигнал кратковременный, а устойчивое состояние триггера сохраняется как угодно долго (при условии, что не происходит отключения питания схемы), то триггер тем самым выполняет логическую функцию запоминания.

Запоминающие элементы на ТТЛ-схемах (транзисторно-транзисторная логика на биполярных транзисторах) хорошо приспособлена к технологии больших интегральных схем (БИС). Их преимущество - высокая степень интеграции. ТТЛ-элементы могут быть совмещены с элементами, построенными на транзисторных переключателях тока.

Функциональные биполярные приборы в ИС памяти. Подавляющее большинство биполярных ИС памяти строится на приборах, функционально более сложных, чем традиционный транзистор.

Основу ИС памяти на ТТЛ-схемах составляют многоэмиттерные транзисторы. В первом приближении многоэмиттерный транзистор (МЭТ) можно рассматривать как совокупность отдельных транзисторов соединенных базами и коллекторами.

Очень часто транзистор сочетают с диодом Шотки. Диод Шотки в интегральном исполнении представляет собой контакт полупроводник (n-типа) - металл, на котором образуется так называемый барьер Шотки. Транзистор с барьером Шотки характеризуется большим коэффициентом усиления, малым инверсным коэффициентом передачи и значительным быстродействием.

Широкое распространение в логических и запоминающий устройствах получили интегральные схемы инжекционного типа. Их особенность - совместимость с технологией биполярных транзисторов, простота топологии и высокая плотность упаковки. На элементах инжекционной логики (И2Л) можно создавать компактные бистабильные триггерные схемы, а для повышения быстродействия в качестве коллекторов - использовать диоды Шотки.

Элементы памяти на МДП-транзисторах. Запоминающие элементы на биполярных и МДП-транзисторах обладают тем существенным недостатком, что даже кратковременное отключение питания приводит к разрушению записанной информации. Это затрудняет построение надежных полупроводниковых устройств памяти с электрической перезаписью информации. Поэтому большое значение приобретают бистабильные МДП-структуры, позволяющие создавать запоминающие элементы с электрической перезаписью и не разрушаемой при отключении питания информацией.

Принцип действия бистабильных МДП-транзисторов заключается в создании в слое диэлектрика объемного заряда, изменяющего пороговое напряжение. Этот заряд в диэлектрике может достаточно долго храниться при отсутствии на электродах транзистора напряжения. Для локализации заряда в структуре может быть использована граница раздела двух диэлектриков или созданный в диэлектрике специальный плавающий затвор. Бистабильным элементом первого типа является транзистор со структурой металл-нитрид-оксид-полупроводник (МНОП). В основе работы МНОП-транзистора лежит накопление заряда на границе нитридного и оксидного слоев, что является результатом неодинаковых токов проводимости в том и другом слоях. Другой тип бистабильных МДП-транзисторов - это транзисторы с однослойным диэлектриком, внутри которого на небольшом расстоянии от поверхности расположен не имеющий внешнего вывода "плавающий" затвор. Информация хранится в виде заряда на изолированном затворе. Для стирания информации необходимо зарядить затвор - удалить инжекционный заряд.

Статические запоминающие элементы обычно строятся на основе триггеров. Они не требуют регенерации информации, могут неограниченно долго хранить ее при включенном питании и обладают высоким быстродействием. Их недостатки - достаточно большое постоянное потребление энергии и значительное количество приборов для построение ЗУ.

В схемах на МДП-транзисторах с каналами одного типа в режиме хранения информации практически полностью отсутствует потребление мощности (измеряется нановаттами). Существенное потребление мощности происходит только в режиме переключения.

Динамические запоминающие элементы. МДП-ячейки обычно используют в качестве основы для создания динамических систем памяти.

Информация хранится здесь в виде заряда на конденсаторе, включенном между электродом информационного МДП-транзистора и общей точкой схемы. В качестве такого запоминающего конденсатора используется емкость затвора информационного транзистора и включенные параллельно ей соответствующие паразитные емкости.

Поскольку всегда имеется некоторая утечка заряда конденсатора, необходимо периодическое восстановление специальными восстанавливающими импульсами. Отсюда и название - динамическая память.

Существует несколько вариантов построения динамической памяти. Они различаются между собой количеством транзисторов, числом и функциональным назначением информационных шин, последовательностью и характеристиками тактовых импульсов и, как следствие, быстродействием, потребляемой мощностью и площадью, занимаемой на кристалле.

Запоминающие устройства на приборах с зарядовой связью

Особым классом приборов со структурой металл-диэлектрик-полупроводник являются приборы с зарядовой связью (ПЗС), представляющие собой совокупность взаимодействующих МДП-структур. Взаимодействие обеспечивается общностью полупроводникового слоя и малым расстоянием между МДП-структурами.

Действие прибора основано на хранении заряда неосновных носителей в потенциальных ямах, создаваемых внешним электрическим полем у поверхности полупроводника, и движения этого заряда вдоль поверхности полупроводника при движении потенциальных ям. На этом принципе реализуются устройства, функционирующие подобно сдвиговым регистрам. Информация, вводимая в такие регистры в виде заряда неосновных носителей, сдвигается под действием тактовых импульсов в соответствующих потенциальных ямах вдоль цепочки ПЗС.

На рис. 3 изображена цепочка МДП-конденсаторов, конструктивно реализованная в виде ПЗС-прибора. Металлические электроды конденсаторов отделены от полупроводника слоем диэлектрика. Если на электрод (затвор) такого МДП-конденсатора подать напряжение соответствующего значения и полярности (отрицательное для подложки n-типа и положительное для р-типа),

Рис. 3

то основные носители уйдут в объем, образуя под электродом область, обедненную основными носителями. Эта область - своего рода “карман” или потенциальная яма, в которую могут “скатываться” неосновные носители, образующие зарядовый пакет и являющиеся информационным сигналом.

Характерной особенностью элементов на ПЗС, является их функционирование только в нестационарном состоянии потенциальных ям, поэтому ЗУ на них относятся к устройствам динамического типа.

Ввод информации в систему на ПЗС может быть осуществлен с помощью электрических или оптических методов.

Существуют различные способы организации ПЗС ЗУ. Они преследуют одну цель - создание конструкции, обеспечивающей при последовательном характере обработки информации увеличение эффективной скорости выборки.

Предполагается, что широкое применение ЗУ на ПЗС найдут в качестве внешних ЗУ специализированных и универсальных ЭВМ, а также в роли буферных устройств, включаемых между “медленной” внешней памятью сверхбольших емкостей и быстродействующим оперативным ЗУ в универсальной ЭВМ. Перспективной областью использования ПЗС считают также малые и средние (емкостью до 1 Мбит) ЗУ с невысоким быстродействием, применяемые в мини-ЭВМ или в сочетании с микропроцессором. Возможна, например, следующая архитектура памяти ЭВМ: оперативная память на МДП-транзисторах емкостью 4К; буферная память на ПЗС емкостью до 64 К; внешнее ЗУ на магнитных дисках или лентах.

Постоянные запоминающие устройства

Особенностью постоянных ЗУ является то, что из них в процессе работы можно только считывать информацию, а записывать нельзя. В зависимости от возможности изменения хранимой информации различают постоянные ЗУ (ПЗУ) и полупостоянные, или программируемые ЗУ (ППЗУ).

Записанная первоначально в ПЗУ информация сохраняется в течение всего периода использования и не может быть изменена в процессе эксплуатации. Естественно, что это позволяет намного упростить необходимые коммутационные устройства и сами элементы памяти. При этом уменьшается также рассеиваемая мощность, поскольку отпадает необходимость в восстановлении информации, повышаются быстродействие и надежность работы.

Основу ПЗУ составляет двухкоординатная матрица элементов памяти (запоминающее поле). В качестве таких элементов используются диоды Шотки, биполярные и МДП-транзисторы. Обычно на кристалле вместе с матрицей запоминающих элементов располагаются схемы записи, дешифраторы, усилители, входные и выходные схемы, обеспечивающие согласование ЗУ с внешними устройствами.

Типичная схема диодного ПЗУ показана на рис. 4. Структура - матричная: строки образуются адресными шинами, а столбцы - разрядными. Каждая шина хранит определенный код: 0011, 0100 и т. д. Запись осуществляется с помощью диодов, которые присоединены между адресными шинами и теми разрядными шинами, на которых (при считывании) должна быть логическая 1; подобные соединения отсутствуют там, где должны появиться нули. Схема работает следующим образом. В любой момент времени только на одной выходной линии дешифратора может быть высокий уровень напряжения. Ток с этой линии течет лишь на те выходные линии, с которыми эта линия соединена диодом.

Рис. 4. Схема диодного постоянного ЗУ      Рис. 5. Ячейки ПЗУ на биполярных (а) и МДП-транзисторах (б)

В качестве диодов чаще всего используются транзисторы. На рис. 5. показаны типичные ячейки полупроводниковых ПЗУ, использующих биполярные и МДП-транзисторы. Принципы построения остаются теми же, но транзисторы могут совмещать в себе функции элемента связи и усилительного элемента.

Если ПЗУ изготовлено таким образом, что пользователь может электрическим (или каким-либо иным) способом записывать информацию в память, то такое ПЗУ является программируемым. Часто используют такую схему, где в каждой ячейке памяти предварительно установлены единицы: на каждом пересечении матрицы имеются плавкие перемычки или их аналоги. Запись или программирование ППЗУ производится “пережиганием” этих перемычек электрическим током определенной величины. Иногда память в начальном состоянии во всех ячейках содержит нули, а единицы вводятся пользователем.

Специфика работы ППЗУ заключается в том, что содержимое памяти может быть установлено по желанию пользователя, а позднее эту информацию можно стереть и записать новую. Разработаны типы ППЗУ со стираемой информацией, позволяющие неоднократно записывать требуемую информацию. Стирание можно производить электрическим током или ультрафиолетовым излучением. Как правило, ППЗУ выдерживают более тысячи циклов записи-стирания до возникновения необратимых изменений пороговых напряжений и проводимости канала запоминающих элементов.

При использовании для создания программируемой памяти бистабильных МДП-транзисторов матрица запоминающих элементов в исходном состоянии содержит транзисторы с одинаковыми пороговыми напряжениями. Запись информации осуществляется в результате инжекции носителей заряда в слой подзатворного диэлектрика, что приводит к изменению порогового напряжения заданных транзисторов.

В случае бистабильных МДП-транзисторов с плавающим затвором программирование ячейки осуществляется путем заряда плавающего затвора. Прикладывая к затвору достаточно большое напряжение, вызывают лавинный пробой в диэлектрике, в результате чего в нем накапливаются электроны. Соответственно меняется пороговое напряжение. Заряд электронов сохраняется в течение длительного времени, и записанную информацию можно воспроизводить многократно, обследуя (в процессе коммутации) проводимость между истоком и стоком. Стирание записи (нейтрализация заряда) производится при облучении матрицы ультрафиолетовым (или рентгеновским) излучением.

В ППЗУ на МНОП-транзисторах введение и выведение зарядов в диэлектрик осуществляется с помощью коротких высоковольтных импульсов разной полярности, подаваемых на затвор.

Проблема миниатюризации в устройствах полупроводниковой памяти

Современные ИС с высокой степенью интеграции представляют собой ансамбль огромного числа элементов (транзисторов), каждый из которых состоит из микроскопических областей полупроводника с вполне определенными свойствами. Все эти микроскопические области эмиттеров, баз, коллекторов, истоков, стоков, каналов, межсоединений и т. п. можно рассматривать как статические неоднородности в непрерывной среде кристалла, созданные с помощью технологических процессов. Обработка информации осуществляется ее продвижением из области одной статической неоднородности в другую, при этом происходит непрерывное изменение таких физических величин, как напряженность электрического поля, потенциалы, концентрации носителей и т. д. Размеры областей статических неоднородностей весьма малы, а с возрастанием степени интеграции они непрерывно уменьшаются.

В истории микроэлектроники прогресс в технологии выражался в постепенном уменьшении размеров транзисторов от 25-50 мкм до 2-3 мкм (для серийно изготовляемых схем). Расчеты показывают, что уменьшение размеров элементов ИС неизбежно приводит к целому ряду ограничений.

Проблема межсоединений. Плотность размещения транзисторов в ИС определяется геометрическими (топологическими) и физическими факторами. Топологическая задача при создании ИС заключается в размещении транзисторов и соединений между ними на части поверхности пластины. При большом числе транзисторов в ИС сетка соединений необычайно сложна и, очевидно, будет занимать значительную часть площади поверхности пластины (до 85% для БИС).

Показано, что даже при оптимальном размещении и пренебрежимо малых размерах элементов существует предел для повышения степени интеграции N БИС и СБИС, определяемый монтажной площадью межэлементных связей на кристалле: Nmax=(L/hт)5/6, где L=(L1+L2)/2= sqrt(Sкр) - усредненный линейный размер; L1+L2 - периметр кристалла; Sкр - площадь кристалла; hт - шаг трассировки.

Один из путей уменьшения занимаемой межсоединениями площади кристалла - это переход на многоуровневую разводку, например 12-уровневую вместо стандартной трехуровневой (внутриячеечные соединения, межъячеечные соединения, питание). Подсчитано, что уже при 20—25 тыс. вентилей на кристалле и 12-уровневой разводке полезно используемая площадь будет составлять около 50%. Однако надежность таких схем резко падает из-за неудовлетворительных контактов между уровнями, наличия ложных контактов через случайные поры в тонких слоях диэлектрика. Особенно высокие требования предъявляются к металлическим линиям и к межуровневому диэлектрику. Толщина металлических и особенно диэлектрических слоев не должна быть меньше 0,05 мкм.

Проблема межсоединений не сводится только к размеру занимаемой ими площади кристалла. Уменьшение топологических размеров существенно уменьшает сечение токоведущих линий и увеличивает отношение их длины к сечению. Следствием этого является увеличение сопротивления соединительных проводников и другие нежелательные явления. В частности, возрастают напряженности электрического поля, и приходится считаться с возможностью объемного или поверхностного пробоя диэлектрика.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5