Félvezető memóriákFélvezető memóriák

Budapesti Műszaki EgyetemBudapesti Műszaki Egyetem

Elektronikus Eszközök Elektronikus Eszközök TanszékeTanszéke

2004 március2004 március

Félvezető memóriákFélvezető memóriákcsoportosítás

-RAM {random access memory}-ROM {read only memory}

- illékony {volatile} a tápfeszültség lekapcsolásakor a beírt információ elvész (RAM)

- nem illékony {nonvolatile} (NVRAM, az összes ROM)

-destruktív : kiolvasáskor az éppen olvasott információ elvész, tehát vissza kell írni

-nem destruktív: nem kell a visszaírást megszervezni

-sztatikus-dinamikus (kapacitáson töltés: frissíteni kell)

A MEMA MEMÓÓRIÁK SZERVEZÉSERIÁK SZERVEZÉSETeljesen dekódolt cellamátrix

Minden cella 1 bit információt tárol. A "vízszintes" vezeték az ún. szóvezeték, a cellákon végigfutó függőleges vezeték az ún. bitvezeték. A szóvezetékek egyikével lehet a cellamátrix valamelyik sorát kijelölni, ezután a bitvezetékeken keresztül tudjuk a kijelölt sor celláit írni vagy olvasni.

A címzőáramkörök közül a szóvezetékeket mindig egy dekóder hajtja meg, a bitvezetékekhez csatlakozó áramkör az író/olvasó erősítő, ami a kiolvasás során multiplexerként működik

Dek

óder

multiplexer

A5

A4

A3

A2 A1 A0

D0 adat

cím

cím

szóvezetékek

Bitvezetékek

Chip

cella

cellamátrix

Dek

óder

multiplexer

A5

A4

A3

A2 A1 A0

D0 adat

cím

cím

szóvezetékek

Bitvezetékek

Chip

cella

cellamátrix

N bites cellamátrix: -nem feltétlenül négyzetes -területe N-el arányos

N

N

Dekóder, multiplexer: -területe N0.5 -el arányos

NN 2

Összterülete

-el arányos.

A MEMA MEMÓÓRIÁK RIÁK ÖSSZEKAPCSOLÁSAÖSSZEKAPCSOLÁSA

Udd, GND

Adatok

Címek

R/W

Címek

R/W

CE

CE

1. memória

2. memória

D

A

A

A: címbemenetek

D: data, adat be/kimenetek

CE: Chip Enable

R/W: Read/Write üzemmód választó

Maszk programozott ROMMaszk programozott ROM

(az "igazi" ROM) gyártáskor kerül bele az információ (nagyon nagy sorozatú gyártásnál alkalmazzák, ill. egyéb chipeken, pl mikroprocesszorban look-up táblázatok készülnek így)

Az információt az tárolja, hogy az adott helyen van-e tranzisztor, vagy sem. Egy oszlop tulajdonképpen egy arány típusú NOR kapu, mivel a p tranzisztor (a terhelés) gate-je földre van kötve, egy szóvezeték megcímzésekor ha van a szó és a bitvonal között tranzisztor, akkor a kimenet alacsony szintű, egyébként logikai 1.

dekó

der

cím Vdd

Félvezető memóriákFélvezető memóriákMOS ROM MOS ROM memóriamemória

Poli szóvezetékek

BitvezetékAktív terület

Programozás: Programozás: kontaktusablak maszkonkontaktusablak maszkon

Felhasználó által programozható Felhasználó által programozható ROM kategóriákROM kategóriák

Típus Techn. Programozás TörlésPROM Bipoláris

CMOSelektronikus,egyszer

-

EPROM CMOS elektronikus, UV fénnyelEEPROM CMOS elektronikus Elektronikusan byte-

onkéntFlashEEPROM

CMOS elektronikus Elektronikusanegyszerre

PROMPROM

Az információ beírás egy fémből készült biztosíték, "fuse" kiégetésével történik. A biztosíték anyaga NiCr, Ti, W, Pt szilicid,a kiégetéshez 5-20mA, 10..15V kell. (pl. telefonkártya…)Ezt a megoldást általában bipoláris áramkörökben alkalmazzák.

ki0 ki1a bitvezeték aktiválásakor áram folyik, ha a biztosíték nincs kiégetve

Félvezető memóriákFélvezető memóriák

““Biztosítékos”Biztosítékos”

PROM memória PROM memória (bipoláris)(bipoláris)

A CrNi biztosítékA CrNi biztosíték

PROM, CMOS technológiávalPROM, CMOS technológiávalCMOS PROM-okban az "antifuse" technológiát alkalmazzák.

PLICE : {Programmable Low Impedance Circuit Element} kisméretű 1.2m 1.2m alkatrész.“Antifuse” -> ha kiégetjük, akkor vezet, egyébként szakadás

Az n+ diffúzió és a n+ poli-Si között egy vékony, 10nm-es dielektrikum (oxid-oxinitrid) van. Kb. 16V, 5mA 1ns alatt megolvasztja és vezetni kezd.Élettartam: kb. 40 év, 125C

SiO2 SiO2

n+ diffúzió

n+ poli Si

1.2μm

ONO

EPROMEPROMElektronikusan programozható, UV fénnyel törölhető.Az információtároló elem: egy ún. FAMOS tranzisztor {Floating gate Avalanche MOS}

a MOS tranzisztorhoz képest egy "lebegő" (nincs sehova kötve) gate van kialakítva.

n+ n+

SD

G

p szubsztrát

poli Si lebegő gate

poli Si gate

Keresztmetszete A cella felépítése

VDD

bitvonal

szóvonal

EPROM / PROGRAMOZÁSEPROM / PROGRAMOZÁS

A nagy feszültség hatására lavinaletörés jön létre a csatornában, a nagy energiájú elektronok pedig keresztül jutnak az oxid potenciálgátján (3.2eV) és a lebegő elektródára kerülnek. Programozás után a lebegő elektródán lévő negatív töltés ott marad (10 évet garantálnak a gyártók általában), ezáltal a tranzisztor küszöbfeszültsége megnövekszik, és akkor sem nyit ki, a gate-re tápfeszültséget kapcsolunk. Programozás nélkül az eszköz úgy viselkedik, mint egy normális MOS tranzisztor.

n+ n+

0V

p szubsztrát

+VDD

+VDD

e- e- e-e- e-e-

A source-t földeljük, a gate-re és a drainre nagy pozitív feszültséget kapcsolunk. (kb. 25V)

Nagy energiájú UV fénnyel a lebegő elektródáról eltávolíthatjuk az elektronokat. Kb. 20 perc, elég erős UV fénnyel.OTP EPROM: annyi a különbség, hogy nem törölhető, mert nincs ablak, a tokozás egyszerűbb (olcsóbb)

n+ n+

p szubsztrát

e- e- e-e- e-e-

EPROM / TÖRLÉSEPROM / TÖRLÉS

Az EPROM tok tetején egy átlátszó kvarcablakot alakítanak ki.

ROM/ EEPROM (EROM/ EEPROM (E22PROM)PROM)elektromosan programozható és törölhető

Egy cella 2 tranzisztorból áll, egy kiválasztó és egy speciális lebegő gate-es tranzisztorból. A FAMOS tranzisztorhoz képest az a külöbség, hogy a gate a drain fölé nyúlik, a lebegő gate-et a draintől egy vékony, 5nm oxid választja el. Az elektronok ezen az ultravékony oxidon keresztüljuthatnak bizonyos valószinűséggel. (alagútjelenség, tunnel hatás)

MNOS tranzisztorMNOS tranzisztor

MNOS tranzisztor {Metal, Nitride, Oxide, Semiconductor }

A szilícium és a nitridréteg között egy vékony, kb. kb. 5nm oxid van. Az oxid és a nitrid határfelülete töltéscsapdákat tartalmaz.

Programozás: a source és drain elektródákat földeljük, a gate-re nagy pozitív feszültséget kapcsolunk (15-25V). Elektronok tunneleznek át a vékonyoxidon, és csapdába esnek a 2 réteg határfelületén. A negatív töltés miatt a tranzisztor kikapcsolt állapotban marad.Törlés: nagy negatív feszültséggel, hasonlóan.Szintén szükség van egy kiolvasó tranzisztorra, így mivel egy cella két tranzisztort tartalmaz, a helyszükséglet nagyobb, mint az EPROMé.

FLASH EEPROMFLASH EEPROM

A két tranzisztoros EEPROM cellát egy különleges tranzisztor helyettesíti, így a sűrűség összemérhető az EPROM sűrűséggel.

Programozás: mint az EPROM cella esetében, lavinaletörésselTörlés: mint az EEPROM cella esetében, tunnelezéssel.

Statikus RAM (CMOS)Statikus RAM (CMOS)Statikus RAM : a beírt információ a tápfeszültség eltünéséig megmarad.

Minden egyes cella egy kétállapotú áramkör, ez tárolja az információt.

6 tranzisztorból áll.Az információt a 2 keresztbecsatolt CMOS inverter tárolja, aminek 2 stabil állapota van (flip-flop).A beírás, kiolvasás a 2 transzfer kapun keresztül történik.(NMOS változat is létezik)

Az SRAM hoz képest a DRAM cella egy tranzisztorból és egy kapacitásból áll.

Azonos felületen kb. 4x sűrűbb mint a statikus RAM

Az információt a Cs kapacitás tárolja, amit az M1 tranzisztor kapcsol rá a bitvonalra. A Cs kapacitás kb. 30..60fF.

Félvezető memóriák: Félvezető memóriák: DRAM

Írás: a szóvonalat VDD –re kapcsolva a bitvonal szinttől függően vagy kisüti a kapacitást (LOW), vagy VDD-VT –re (HIGH) tölti fel.Kiolvasás: a szóvonal aktivizálásakor a bitvonalra kapcsoljuk a CS kapacitást.

Félvezető memóriákFélvezető memóriákDinamikus RAM részleteDinamikus RAM részlete

A csiszolat A csiszolat vonalavonala

BitvezetékBitvezeték

Poli Poli szóvezetékszóvezeték

Aktív terület

Csatorna=Aktív AND Poli

BitvezetékBitvezeték

C

DRAMDRAM

A) árokkapacitás (trench kapacitás). A szilíciumba árkot marnak, aminek a falát oxid fedi. Ebbe kerül a poli-Si.B )“stack” kapacitás: a fegyverzeteket vékonyoxid szigeteli el.A kapacitás növelése több réteggel lehetséges.

DRAM működése, a DRAM működése, a töltésmegosztástöltésmegosztás

A bitvonal saját kapacitása nagyobb, mint a tároló kapacitás, így töltésmegoszlás történik:

BBS

BS

BS

S UCC

CU

CC

CU

PÉLDALegyen CB = 20CS, VDD=3.3V, VT=0.7VEkkor a CS kapacitás “1” szintje UDD-VT = 2.6V lesz. A bitvonal feszültségváltozása ennek 21-d része, azaz kb. 120mV

Az érzékelő erősítőnek tehát ezt kell helyreállítani. A kiolvasás destruktív, tehát kiolvasás után mindenképpen (2..4ms –ként) frissíteni kell.

DRAM : Alfa részecskék DRAM : Alfa részecskék hatásahatása

Az alfa részecskék hatása:egy becsapodó alfa részecske 1-2 millió elektront képes kelteni, és ez megváltoztathatja a kapacitás töltését. Ezért védőfóliával (pl. poliimid) fedik a DRAM chipeket.

ROM jellegzetes paraméterekROM jellegzetes paraméterek

hozzáférési idő programozásMask CMOS ROM 100..150nsCMOS EPROM 100..200ns 12..13VFlash EEPROM 80..100ns 12V

RAM jellegzetes paraméterekRAM jellegzetes paraméterek

Véletlen elérésre!

Hozzáférési időCMOS SRAM 12..15nsBiCMOS SRAM 6..10nsbipoláris ECL 3..6nsDRAM 50..70ns