Перепрограммируемые ПЗУ, Flash-память

Существенный недостаток БИС полупроводниковых ПЗУ заключается в том, что программирование в них возможно только один раз. При необходимости коррекции информации, хранимой в ПЗУ, например при отладке программ или уточнении задачи, решаемой ЭВМ, возникает необходимость в частичной замене БИС ПЗУ. Эти проблемы можно решить, применив репрограммируемые ПЗУ (РПЗУ), способные не только практически бесконечно долго хранить информацию при отключении питания (энергонезависимые РПЗУ), но и при необходимости допускающие запись новой информации электрическим способом. Считывание хранимой в РПЗУ информации осуществляется обычно за сотни наносекунд, а стирание старой информации и последующая запись новой требуют гораздо больше времени.

По способу стирания информации различают РПЗУ со стиранием ультрафиолетовыми лучами (РПЗУ-УФ) и РПЗУ с электрическим стиранием (РПЗУ-ЭС). В РПЗУ-УФ в качестве запоминающего элемента используется МОП-транзистор с одним так называемым плавающим затвором или чаще МОП-транзистор с двойным затвором – плавающим и управляющим. В РПЗУ-ЭС используется МОП-транзистор с двойным затвором или транзистор со структурой металл-нитрид кремния (Si₃N₄) –диоксид кремния (SiO₂) – полупроводник (МНОП-транзистор).

Структура МОП-транзисторов с плавающими затворами (рис. 4.32 и 4.33) характеризуется наличием проводящего слоя (обычно из поликристаллического кремния), расположенного над областью канала и изолированного от остальных областей транзистора диоксидом кремния SiO₂.

Принцип работы этих приборов основан на лавинном пробое p – n -перехода (сток–подложка) при подаче на сток достаточно большого обратного напряжения (15...30 В). При этом у прибора с двойным затвором на управляющий затвор подается достаточно высокое напряжение той же полярности (см. рис. 4.33).

Рис. 4.32. Принцип действия ячейки ПЗУ с УФ стиранием

Электроны, попадая на плавающий затвор, оказываются как бы в ловушке и после снятия напряжения со стока и управляющего затвора (у МОП-транзисторов с двойными затворами) могут сохраняться в нем в течение длительного времени (в высококачественных приборах многие годы).

На рис. 4.34 показаны вольтамперные характеристики (ВАХ), характеризующие состояния n -МОП-транзистора: исходное (1) и после записи информации (2). Наличие электронов на плавающем затворе n -МОП-транзистора значительно увеличивает его пороговое напряжение по сравнению с n -МОП-транзистором, у которого нет или очень мало таких электронов.

Рис. 4.33. Структура МОП-транзистора с плавающим затворам	Рис. 4.34. ВАХ, характеризующие состояния n -МОП-транзистора

Для того чтобы исключить накопление заряда на плавающем затворе и обеспечить малое значение порогового напряжения n ‑МОП-транзистора, при его программировании на сток прибора с одним плавающим затвором не подается напряжение обратного смещения перехода сток–подложка (программирующее напряжение). Для этой цели у прибора с двойным затвором высокое напряжение подается только на управляющий затвор. Стирание информации (заряды на плавающем затворе) у МОП‑транзистора с одним плавающим затвором может производиться только ультрафиолетовым облучением, а у МОП-транзистора с двойным затвором и ультрафиолетовым облучением, и электрическими сигналами.

Для стирания информации ультрафиолетовым облучением кристалла корпус микросхемы имеет специальное прозрачное окошко. Лучи вызывают в области плавающего затвора транзистора фототоки и тепловые токи, что делает эти области проводящими и приводит к стеканию заряда с плавающего затвора в подложку. Стирание информации происходит сразу на всем кристалле, но для выполнения этой операции требуется достаточно большое время (десятки минут). В РПЗУ-УФ число операций стирания при перепрограммировании ограничено (10...100 для отечественных микросхем), так как под действием ультрафиолетовых лучей свойства материалов в кристалле постепенно изменяются. РПЗУ-УФ с запоминающим элементом в виде прибора с двойным затвором используются гораздо чаще, так как в запоминающем элементе на МОП-транзисторе с одним плавающим затвором необходимы дополнительный МОП-транзистор для считывания информации (рис. 4.35) и большее значение программирующего напряжения.

Рис. 4.35. Реализация схемы считывания информации с ячейки ПЗУ

Использование в РПЗУ приборов с двойными затворами позволяет осуществлять выборочное электрическое стирание информации не на всем кристалле, а только в подлежащих перепрограммированию запоминающих элементах. Электрическое стирание информации осуществляется подачей высокого напряжения программирования только на управляющий затвор. При электрическом способе процесс стирания происходит гораздо быстрее, а число циклов перепрограммирования увеличивается до 10⁴...10⁶. Кроме того, для перепрограммирования не требуется извлекать микросхему из устройства, в котором она работает. Поэтому БИС РПЗУ-ЭС постепенно вытесняют БИС РПЗУ-УФ, хотя количество запоминающих элементов в последних пока еще несколько больше из-за более простой структуры управления.

МНОП-транзистор (рис. 4.36) отличается от обычного
МОП-транзистора наличием под затвором двух слоев диэлектрика: слоя диоксида кремния (SiO₂) толщиной примерно 0,005 мкм, нанесенного на поверхность кристалла, и поверх него слоя нитрида кремния (Si₃N₄) толщиной 0,1 мкм. На границе диэлектрических слоев возникают центры захвата заряда, куда благодаря туннельному эффекту через тонкий слой SiO₂ при достаточной для его возникновения напряженности электрического поля между затвором и подложкой могут проходить носители заряда и скапливаться на границе этих слоев. Меняя направленность электрического поля, можно создать заряд любого знака на границе диэлектрических слоев.

а б

Рис. 4.36. Принцип действия МНОП-транзистора

В МНОП-транзисторе с p -каналом положительный заряд увеличивает его пороговое напряжение настолько, что рабочее напряжение на затворе прибора не в состоянии его открыть. Транзистор, в котором заряд отсутствует или имеет другой знак, легко открывается рабочим значением напряжения. Так осуществляется хранение 1 бита информации в МНОП-транзисторе: одно из состояний трактуется как отображение лог. 1, другое – как лог. 0.

В режиме стирания (см. рис. 4.36, а) – записи большого значения порогового напряжения – затвор заземляется, а на подложку подается положительный импульс амплитудой 20...30 В. Стирание может осуществляться также подачей отрицательного импульса напряжения амплитудой 20...30 В на управляющий затвор. В режиме программирования – записи малого значения порогового напряжения – на затвор р- МНОП-транзистора подается положительное напряжение (см. рис. 4.36, б) при заземленных выводах подложки, стока и истока. В режиме считывания на затвор прибора подается напряжение, находящееся между этими двумя значениями пороговых напряжений.