Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ).

 

Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) - устройства, из которых можно считывать только заранее записанную информацию. Они служат для генерации кода какой-либо программы или данных, которые будут часто использоваться, что избавляет от необходимости загружать программу каждый раз заново. Информация в ПЗУ, в отличие от ОЗУ, записывается на кристалле с изменением его физических свойств, поэтому при отключении питания она сохраняется.

Микросхемы ПЗУ делятся на два класса: с однократной записью информации или с многократной. В микросхемах ПЗУ с однократной записью производится однократная запись информации в микросхему перед началом её эксплуатации и далее в процессе работы производится только её периодическое считывание. В микросхемах с многократной записью (РПЗУ) допускается перезапись информации определённое количество раз. Однако в отличие от ОЗУ в микросхемах РПЗУ для записи новой информации необходимо реализовать специальный режим программирования с использованием повышенных напряжений, обеспечиваемый в программаторах, в которые включают микросхему для записи информации.

По способу записи в них информации микросхемы ПЗУ подразделяются на микросхемы, программируемые изготовителем в процессе их производства и программируемые потребителем перед началом их применения.

В качестве ЭП в таких микросхемах используются диоды или транзисторы, а значение хранящейся информации задаётся путём их подключения к шинам (РШ или АШ) или отключения от них.

Масочные ПЗУ.

Наиболее простыми и широко применяемыми являются масочные ПЗУ (см.рис.98). Информация в такие микросхемы заносится при их изготовлении на заводе-изготовителе в процессе создания контактов к соответствующим областям диодов или транзисторов. Для этого используются специализированные фотошаблоны.

 

 Рис.98.Пример схемы масочных ПЗУ.

 

На фотошаблоне формируются только те связи между запоминающими элементами, которые необходимы для записи в ПЗУ закодированной информации. Таким образом, для записи в ПЗУ определённого массива информации необходимо изготовление фотошаблона с соответствующим рисунком, который и "программирует" соединение соответствующих шин (АШ или РШ) с анодом и катодом диода.

Такие ПЗУ изготавливаются при серийном производстве микросхем.

В представленной на рис.98 схеме фотошаблоном нанесены диоды в те пересечения адресных и разрядных шин, где необходимо хранить "1". Отсутствие диода означает запись логического "О". Таким образом, например, при подаче сигнала на ALLJ3 будет считана информация; 11010100₂.

Программируемые ПЗУ.

Более удобны для пользователя электрически программируемые ПЗУ (ППЗУ). Комбинация битов, вводимая в программируемое ПЗУ, может задаваться пользователем. Программирование таких ПЗУ - это однократно выполняемая операция, т.е. информация, когда-то записанная в ППЗУ, в последствии не может быть изменена.

ППЗУ строятся на основе диодных или транзисторных матриц (см.рис.99).

Рис.99.Диодная матрица ППЗУ.

 

Такие ПЗУ изготавливают со всеми элементами памяти. В исходном состоянии все ЭП подключены к шинам. Однако в цепи соединения диода или транзистора включены плавкие перемычки, которые могут быть разрушены при протекании тока повышенной величины. Такие перемычки изготавливаются из материала с повышенным сопротивлением, чаще всего из нихрома, титановольфрамового сплава или поликристаллического кремния.

После изготовления и контроля такие микросхемы ПЗУ помещают на специальную установку, называемую программатором, которая в автоматическом режиме последовательно пропускает импульсы тока определённой амплитуды, длительности и частоты по тем адресным и разрядным шинам, в пересечение которых должен быть записан ”0”. Ток программирования обычно составляет десятки миллиампер. При этом в перемычке происходят различные физико-химические процессы, вызывающие нарушение её проводимости; расплавление и разрыв перемычки, если она нагревается выше температуры плавления; окисление металла при нагревании с образованием непроводящих окислов; электромиграция атомов металла при высоких плотностях тока под действием движущихся электронов, приводящая к разрыву перемычек.

В результате диод отключается от соответствующей адресной шины. Поэтому такие микросхемы ПЗУ называют программируемыми (ППЗУ).

Репрограммируемые ПЗУ (РПЗУ).

Наибольшей универсальностью обладают репрограммируемые ПЗУ, которые позволяют оперативно изменять записанную в них информацию. Микросхемы РПЗУ программируются пользователем путём подачи внешних электрических сигналов. Можно выполнить стирание записанной информации с помощью облучения ультрафиолетовым светом или подачей электрических сигналов. После этого микросхема может быть снова запрограммирована.

Допустимое число циклов перезаписи зависит от типа ЭП и составляет от нескольких десятков до десятков тысяч. В ЭП микросхем РПЗУ используются МДП-транзисторы, имеющие структуру металл-нитрид-окисел-полупроводник (МНОП) или "плавающий" (не подключенный) затвор.

 

 

Элементы памяти РПЗУ.

МДП-транзистор со структурой МНОП с p-каналом и схема его включения как элемента памяти приведена на рис. 100.

 Рис.100.Элемент памяти ЭИППЗУ(а) и схема его включения(б).

 

МНОП-транзистор с p-каналом имеет подзатворный диэлектрик, состоящий из тонкого слоя окисла Si02 и слоя нитрида кремния Si₃N₄. В исходном состоянии транзистор имеет

высокое пороговое напряжение U¹₀ = - 10…15В. В режиме программирования на затвор

транзистора подаётся импульс с амплитудой U_пр ≥ 15...20В и длительностью в несколько миллисекунд. Под действием высокого электрического поля отрицательные носители заряда туннелируют через тонкий слой окисла и захватываются ловушками на границе раздела SiО₂-Si₃N₄. На этой границе образуется отрицательный заряд, частично компенсирующий положительный заряд поверхностных состояний на границе SiО₂-Si. В результате пороговое напряжение снижается до значения U₀ = - 1...2В, характерного для МДП-транзисторов. Такое состояние транзистора ЭП соответствует записи логического 0. При поступлении на АШ низкого потенциала U_A≈ 0 р-канальный МНОП-транзистор переходит в проводящее состояние. Протекание разрядного тока!р воспринимается схемой считывания и вызывает формирование на выходе микросхемы состояния D0 = "0"

Если МНОП-транзистор не подвергался программированию, то его напряжение отпирания U₀ остаётся высоким. При выборке ЭП такой транзистор остаётся запертым, т.к. его напряжение затвор-исток U⁰_A-U_П≈-5B ˃ U¹₀. Разрядный ток не протекает, что воспринимается усилителем считывания как состояние логической "Г. Соответственно на выходе микросхемы формируется сигнал D0 = ”1".

В режиме стирания на затвор транзистора подаётся импульс отрицательного напряжения U_СТ = -15...20В. Заряд на границе SiО₂-Si₃N₄ нейтрализуется поступающими положительно заряжеными носителями, и восстанавливается высокое пороговое напряжение МНОП-транзистора U¹q. Такое состояние транзистора в ЭП соответствует записи "1". При программировании микросхемы РПЗУ производится стирание ранее записанной информации путём установки всех ЭП в состояние логической “1”. Затем последовательно выбираются ЭП, в которые следует записать ”0", и МНОП-транзисторы этих ЭП переводятся в низкопороговое состояние подачей на затвор импульсов высокого потенциала.

Рассмотренный тип микросхем РПЗУ часто называют электрически изменяемыми программируемыми постоянными запоминающими устройствами (ЭИППЗУ).

Другие варианты элементов памяти используют МДП-транзистор с "плавающим" затвором. Такой МДП-транзистор и схема его включения в качестве элемента памяти приведены на рис. 101.

Рис.101.Элемент памяти СППЗУ(а) и схема его включения(б)

 

Програмирование таких элементов памяти осуществляется путём подачи между стоком и истоком высокого напряжения U_ПР = 15..,20В, при котором происходит пробой стокового р-п перехода. Электрическое поле в р-п переходе ускоряет дырки, которые преодолевают потенциальный барьер на границе Si-SiO₂, попадают в окисел и достигают "плавающего" затвора. На нём накапливается положительный заряд, который вызывает возникновение п-канала. Так как этот затвор изолирован (окружён окислом), то заряд и индуцированный им канал сохраняются в течение длительного времени (несколько лет) после окончания программирования.

Для стирания записанной информации используется ультрафиолетовый свет. Для этого микросхема помещается в корпус с "окном", пропускающим ультрафиолетовые лучи. Стирание производится при освещении микросхемы светом кварцевой лампы. При этом в окисле образуются носители заряда (электронно-дырочные пары). Электроны, двигаясь под действием поля в окисле, попадают на "плавающий" затвор, нейтрализуя хранящийся положительный заряд. В результате уничтожается заряд на "плавающих" затворах всех транзисторов, т.е. производится общее стирание информации (запись логической "1”) во всех ЭП микросхемы. Транзисторы с "плавающим" затвором выполняют роль перемычки в ЭП (см.рис,102), разрешая или запрещая протекание тока при подаче адресного сигнала на затвор транзистора.

Такой тип микросхем РПЗУ называют стираемыми программируемыми постоянными запоминающими устройствами (СППЗУ).

                                                      Рис.102.ЭП с плавной перемычкой.

 

Условное обозначение некоторых микросхем памяти приведено на рис.103.

 

                                            Рис.103.УГО различных микросхем ОЗУ и ПЗУ.

Микросхема, условное изображение которой показано на рис. 103а, обеспечивает поразрядную выборку, т.е. имеет организацию N_И = N_Сх1, где N_С - число хранящихся слов (одноразрядных чисел). При словарной выборке ЭП в накопителе объединяются в группы по К элементов. ЭП одной группы выбираются одновременно. Для уменьшения числа выводов обычно используются комбинированные выводы DI0 (рис. 103 6). Такие выводы при записи работают как входы DI, а при считывании - как выходы D0. При этом вводится дополнительный инверсный вход разрешения выдачи ОЕ. При сигнале ОЕ = 1 выходы D0 находятся в отключенном состоянии, а при ОЕ = 0 производится выдача считываемой информации. На рис.103 в,г приведено условное графическое обозначение микросхем ПЗУ. В таких микросхемах вход WR/RD отсутствует. Микросхемы РПЗУ содержат дополнительные схемы, которые формируют сигналы, обеспечивающие запись информации в ЭП (программирование). Режим программирования задаётся инверсным сигналом PR (рис.103 г). Имеется также дополнительный вывод U_PR, на который подаётся импульс программирующего напряжения с повышенной амплитудой. В микросхемах РПЗУ также часто используется инверсный вход разрешения выдачи ОЕ.В микросхемах ПЗУ, РПЗУ реализуется словарная выборка 4, 8 или 16-разрядных чисел.

 

Список рекомендуемой литературы.

1. Преснухин Л.Н., Нестеров П.В. Цифровые вычислительные машины. - М., Высшая школа, 1981 г.

2. Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы. - М., Энергоатомиздат, 1985 г.

3. Преснухин Л.Н., Шахнов В.А. Конструирование электронных вычислительных машин и систем. - М., Высшая школа, 1986 г.

4. Стрыгин В.В., Щарёв Л.С. Основы вычислительной микропроцессорной техники и программирования. - М., Высшая школа, 1989 г.

5. Нешумова К.А. Электронные вычислительные машины и системы. - М., Высшая школа, 1989 г.

6. Алексеенко А.Г., Шагурин Н И. Микросхемотехника. - М., Радио и связь, 1990 г.

7. Преснухин Л.Н., Воробьёв Н.В., Шишкевич А.А. Расчёт элементов цифровых устройств. - М.. Высшая школа, 1991 г.

8. Наумов Ю.Е., Аваев Н А., Фролкин В Т. Основы микроэлектроники. - М., Радио и связь, 1988 г.

9. Сергеев Н.П., Вашкевич Н.П. Основы вычислительной техники. - М.. Высшая школа, 1988 г.

10. Семененко В.А., Айдинян В.М., Липовой А.Д. Электронные вычислительные машины. - М., Высшая школа, 1991 г.