Полупроводниковые запоминающие устройства

Для кратковременного хранения небольших объемов данных используют регистры. В других случаях используют запоминающие устройства (ЗУ).

Любое ЗУ, не зависимо от его выполнения и назначения, харак­теризуется рядом параметров. Рассмотрим основные из них.

Емкость ЗУ (М) определяет максимально возможный объем хранимой в нем информации.

Единицей измерения количества информации является один бит. Это количество информации, соответствующее одному раз­ряду двоичного кодового слова или одной логической константе. Численно бит может принимать значения лог. О или лог. 1. Обычно информация, равная одному биту, хранится в одном элементар­ном запоминающем элементе (ЭЗЭ). Поэтому емкость ЗУ принято определять в битах или количестве кодовых слов с указанием их разрядности. При этом 8-разрядное кодовое слово называют бай­том.

Для определения больших объемов информации используют приставки кило и мега, означающие соответственно 2 ¹⁰=1024 бит = 1 Кбит и 2²⁰ = 1 048576 бит= 1 Мбит.

Для более детального определения структуры используют по­нятие «организация ЗУ» (N x L), под которым понимают число ко­довых слов (N), хранимых в ЗУ с указанием их длины (разряд­ности) (L). Очевидно, что емкость ЗУ связана с параметрами, характеризующими его организацию, соотношением

М = NL.,

Из сказанного следует, что при одном и том же объеме хра­нимой информации память может иметь различную организацию. Так, два ЗУ с организацией 32x8 и 256x1 имеют одинаковый объем памяти, равный 256 бит.

Динамические характеристики ЗУ в общем случае опреде­ляются большим числом различных временных параметров, основ­ными среди которых являются времена выборки (обращения) и циклов адреса в режимах чтения и записи.

Временем выборка t, называется временной интервал между подачей на вход памяти заданного сигнала и получением на вы­ходе данных при условии, что все остальные сигналы поданы.

Временем цикла адреса в режиме записи (t_CY) называется минимальное время совпадения сигналов на управляющих входах памяти, необходимое для надежной записи в нее информации. Ана­логично для режима считывания определяется и (t_SY).

Говоря о быстродействии памяти, необходимо помнить, что прежде чем считать информацию, требуется найти ее местополо­жение в ЗУ. При разработке полупроводниковых ЗУ нашел применение ме­тод произвольного доступа, при котором время выборки постоянно и не зависит от местоположения информации в хранящемся мас­сиве. По выполняемой функции ЗУ можно классифицировать на:

оперативные запоминающие устройства (ОЗУ);

постоянные запоминающие устройства (ПЗУ).

К оперативным относят ЗУ, использующиеся для хранения ин­формации, получаемой в процессе работы устройства и обеспечи­вающие соизмеримые времена ее считывания и записи.

Оперативные ЗУ могут быть выполнены как статическими, так и динамическими. В статических ОЗУ записанная информация по­стоянно хранится в выделенном для нее месте и не разрушается при ее считывании. Разрушение информации возможно только при ее принудительном стирании или отключении напряжения источ­ника питания.

В динамических ОЗУ информация постоянно циркулирует в массиве, отведенном для ее хранения. При этом считывание инфор­мации сопровождается ее разрушением. Для сохранения информа­ции ее необходимо перезаписать заново.

Основным требованием, предъявляемым к ОЗУ, является обес­печение максимально возможного быстродействия при заданных объеме и организации. Для обозначения на принципиальных электрических схемах ИС ОЗУ используется сокращение RAM (random access memory).

Постоянные ЗУ предназначены для хранения данных, неизменных в течении всего времени работы устройства. Для обозначения на принципиальных электрических схемах ИС ОЗУ используется сокращение RОM (random only memory).

В основе современных электронных запоминающих устройств лежат МДП-транзисторы с индуцированным каналом. На рис.1 приведены их условные обозначения и ВАХ. I,A

канал р-типа канал n-типа

С

З И

U,B

Рис.1.

Маленькая стрелка в средней части линии, обозначающей подложку, указывает на тип канала: она направлена к подложке, если канал типа п, и от подложки, е канал типа р. Промежуток между истоком и стоком представляет собой аналог электрического контакта. В случае МДП-транзистора с индуцированным каналом тип п такой контакт разомкнут, когда на затворе отсутствует напряжение, и контакт замнут, если на затворе положительное напряжение относительно подложки. А что представляют собой затвор и подложка? Затвор изолирован от подложки тончайшим (доли микрометра) слоем окиси кремния. Это значит, что затвор и подложка представляют собой две пластины конденсатора. Поскольку расстояние между пластинами, т. е. толщина слоя окиси кремния; очень мала, емкость такого конденсатора относительно велика.

Если приложить к затвору положительное напряжение, а затем отсоединить источник этого напряжения, конденсатор останется заряженным, и промежуток исток-сток будет оставаться проводящим, т. е. представлять собой аналог замкнутого контакта. Поскольку идеальных диэлектриков в природе не существует, электрический заряд через какое-то время все-таки стечет. Если же замкнуть затвор и подложку, конденсатор разрядится практически мгновенно и промежуток исток-сток станет непроводящим (контакт разомкнут). Так будет продолжаться до тех пор, пока к затвору не будет снова присоединен источник положительного напряжения. Итак, МДП-транзистор способен запомнить тот факт, что к его затвору был подсоединен источник положительного напряжения. Это и есть не что иное, как функция памяти. Подобная память получила название динамической, потому что она не только запоминает, но и забывает. Иными словами, процесс запоминания — забывания динамичен: он изменяется во времени это изменение связано с разрядкой конденсатора.

Одной функции запоминания недостаточно для описания системы. Нужна еще функция выбора. Полная схема динамического запоминающего МДП-элемента, peaлизующего функции памяти и выбора (выборки) показана, на рис, 2.

Адресный

провод

чтения

V1 V3

Адресный

Провод V2

записи

Чтение Запись

Рис.2.

Здесь транзистор VI осуществляет функцию запоминания, транзистор V2 делает вы­борку при запоминании (записи). Чтобы запомнить, необходимо, прежде всего, подать положительное напряжение на провод, обозначенный на ри­сунке, как «Адресный провод за­писи». Если подать на этот провод положительное на­пряжение, затвор транзистора V1 окажется под положительным на­пряжением. Затвор транзисторц V1 через промежуток исток-сток транзистора V2 окажется подсоединенным к проводу, обозначенному на рис. 1.4 как «Запись». Теперь все зависит от того, каково состояние про­вода «Запись». Если на нем имеется положительное напряжение, затвор транзи­стора VI также окажется под положительным напряжением и это его состояние запомнится.

Будем считать, что, если затвор запоминающего транзистора заряжен от­носительно подложки таким образом, что промежуток исток-сток оказывается проводящим (контакт замкнут), транзистор находится в состоянии единица или, иначе, транзистор помнит единицу. Подобная терминология вводится ис­ключительно по соображениям краткости. Не следует усматривать здесь ни­какой связи между условным обозначением состояния транзистора и числом 1.

Если провод «Запись» находится под нулевым напряжением, то затвор транзистора VI через промежуток исток-сток транзистора V2 разрядится. Про­межуток исток-сток транзистора VI станет непроводящим. Будем считать, что в этом случае транзистор VI находится в состоянии нуля или, иначе говоря, помнит нуль. Итак, если подать положительное напряжение на адресный про­вод записи, то в запоминающий элемент можно записать 0 или 1. Если же адресный провод записи находится под нулевым напряжением, то состояние запоминающего элемента (0 или 1) никак не будет зависеть от состояния про­вода записи.

Чтобы прочесть то, что записано в динамическом запоминающем элементе, показанном на рис. 2, нужно подать положительное напряжение на провод, обозначенный на этом рисунке как «Адресный провод чтения». При этом на затворе транзистора V3 будет положительное напряжение и провод «Чтение» окажется подсоединенным к стоку транзистора VI. Теперь все зависит от со­стояния транзистора VI. Если он помнит 1, то провод чтения окажется замкну­тым с точкой нулевого потенциала (землей). Если транзистор VI помнит нуль, такого замыкания не произойдет.

Динамические запоминающие элементы обладают очевидным неудобством. Они способны помнить в течение относительно небольшого времени — несколь­ких долей секунды. Для длительного хранения информация, запомненная дина­мической памятью, периодически должна обновляться каждые несколько мил­лисекунд с помощью так называемых устройств регенерации.