Pamięci RAM i ROM

1. Pamięci RAM i ROM R. J. Baker, "CMOS Circuit Design, Layout, and Simulation", Wiley-IEEE Press, 2 wyd. 2007

2. MOSFET_square_law_eq_1 Tranzystor MOS z długim kanałem – kwadratowa aproksymacja charakterystyk

3. MOSFET_square_law_eq_2 Tranzystor MOS z długim kanałem – kwadratowa aproksymacja charakterystyk

4. Pamięć RAM – schemat blokowy

5. Komórka dynamicznej pamięci (DRAM) z jednym tranzystorem i jednym kondensatorem Schemat Przekrój komórki z kondensatorem wykonanym na ścianach wgłębienia

6. Pasożytnicze pojemności linii bitu w DRAM Przykład dla technologii 50 nm: Metalowa ścieżka linii bitu położona na SiO2 tworzy pasożytniczą pojemność do podłoża. Pojemność ta łączy się równolegle do kondensatora komórki pamięci, kiedy tranzystor dostępu do komórki przewodzi, np. w trakcie odczytu. Niech pojemność jednostkowa będzie: C1sub =100 aF/µm2. Ccol1sub = Powierzchnia · C1sub Ccol1sub = (0,1)(100)(100 aF) = 1 fF To niedużo, ale mamy jeszcze pojemności złączowe związane z implantowanymi drenami rozmieszczonymi co 400 nm: Ccol = liczba_linii_słowa · pojemność_drenu + Ccol1sub Ccol = 100 fF • pojemność pasożytnicza jest • WIĘKSZA od pojemności • kondensatora komórki pamięci Cmbit = 20 fF.

7. Konieczny wzmacniacz odczytu stanu naładowania kondensatora komórki pamięci dynamicznej! W tym momencie wybierana jest linia słowa i ładunek kondensatora komórki pamięci (zapamiętana dana) jest umieszczana na linii bitu. Duża wartość pojemności pasożytniczej linii bitu powoduje, że skok napięcia jest niewielki. Układ z dodatnim sprzężeniem zwrotnym („latch” – zatrzask) użyty jako wzmacniacz odczytu w linii bitu.

8. W celu niezawodnego odczytu stanu komórki DRAM wygodnie jest użyć „architektury otwartej tablicy” NSA – nMOS Sense Amplifier - wzmacniacz odczytu z nMOS Stan jednej linii bitu podłączonej do NSA jest wzmacniany, a stan drugiej linii bitu jest wykorzystywany jako stan odniesienia. Aby tak mogło być układ trzeba rozbudować o blok wyrównywacza stanów.

9. Wyrównywanie stanów przed operacją odczytu ze wzmacniaczem odczytu nMOS Przed uaktywnieniem linii słowa napięcia linii bitów tablicy 0 i tablicy 1 są wyrównywane do wartości VDD/2, przez uaktywnienie linii Eq. Wszystkie tranzystory w technologii 50 nm, 10/1 (to jest W = 10·50 nm / L = 1·50 nm) Napięcie zasilania VDD = 1 V.

10. Odczyt - po wyrównaniu stanów linii bitów i po uaktywnieniu linii słowa, to jest po wprowadzeniu w stan przewodzenia tranzystora dostępu komórki. Po wyrównaniu stanów linii bitów uaktywniana jest linia słowa, to jest tranzystor dostępu komórki jest wprowadzny w stan przewodzenia. Wskutek dołączenia pasożytniczej pojemności linii bitów różnica napięć pomiędzy linią odczytywaną, a linią odniesienia jest niewielka - tylko 83 mV w naszym przykładzie technologii 50 nm. Sytuacja ulega radykalnej zmianie po uaktywnieniu linii sense_N.

11. Odczyt - wzmocnienie po uaktywnieniu linii sense_N Odczyt „0” z komórki w tablicy 0: Po uaktywnieniu linii sense_N wzmacniacz z dodatnim sprzężeniem zwrotnym powoduje, że różnica napięć wzrasta niemal do wartości VDD/2.

12. Odczyt „1” z komórki w tablicy 0 Odczyt „1” z komórki w tablicy 0: Po uaktywnieniu linii sense_N wzmacniacz z dodatnim sprzężeniem zwrotnym powoduje, że różnica napięć wzrasta niemal do wartości VDD/2.

13. Dwa wzmacniacze odczytu : NSA – z tranzystorami nMOS oraz PSA – z tranzystorami pMOS. Różnicę napięć pomiędzy odczytywaną linią bitów a linią odniesienia można wzmocnić do wartości niemal VDD przez zastosowanie dodatkowego wzmacniacza – z tranzystorami pMOS.

14. Odświeżanie zawartości komórki DRAM Odświeżanie zawartości komórki DRAM odbywa się przez uaktywnienie sense_n oraz sense_p przy przewodzącym tranzystorze dostępu.

15. Szumy w „architekturze otwartej tablicy” W architekturze „otwartej tablicy” porównywane w trakcie odczytu linie bitów są fizycznie oddalone od siebie – jedna w tablicy 0, druga w tablicy 1. Jest prawdopodobne, że w liniach bitów zaindukują się różne szumy, co doprowadzi do błędów odczytu.

16. Zmniejszenie szumów odczytu przez zastosowanie „architektury tablicy złożonej” W architekturze „ tablicy złożonej” porównywane w trakcie odczytu linie bitów są fizycznie zbliżone do siebie – tablica 0 i w tablica 1 przeplatają się. Jest prawdopodobne, że w liniach bitów zaindukują się podobne szumy, co zmniejszy prawdopodobieństwo błędu odczytu.

17. Rozkład elementów komórki DRAM Oszczędzamy miejsce przez użycie wspólnego kontaktu drenu dla dwóch komórek. Opóźnienie związane z propagacją sygnału wzdłuż polikrzemowej linii słowa.

18. Rozkład elementów komórki DRAM w „architekturze otwartej tablicy” 2F – odstęp pomiędzy liniami bitu Komórka pamięci zajmuje powierzchnię 6F2

19. Rozkład elementów komórki DRAM w „architekturze złożonej tablicy” 2F – odstęp pomiędzy liniami bitu • Komórka pamięci zajmuje powierzchnię 8F2 • więcej niż w „architekturze otwartej tablicy • w konsekwencji większe też jest opóźnienie • propagacji sygnału wzdłuż linii słowa

20. Konstrukcje kondensatorów w komórkach DRAM Przekrój komórki z kondensatorem wykonanym w jednej z warstw metalizacji Przekrój komórki z kondensatorem wykonanym na ścianach wgłębienia Schemat

21. Rozkład bloków pamięci DRAM w układzie scalonym

22. Pamięci DRAM – współpraca układów o różnych napięciach zasilania VDD = 1V Przy różnych napięciach zasilania, VDDP > VDD stan wysoki na wyjściu pierwszego inwertera nie zamknie tranzystora pMOS drugiego inwertera Rozwiązaniem jest stosowanie wzmacniacza z dodatnim sprzężeniem zwrotnym VDD = 1V

23. Komórka pamięci statycznej (SRAM) – z 6 tranzystorami Zajmuje dużo miejsca

24. Komórka pamięci statycznej (SRAM) – z 2 tranzystorami i 2 rezystorami Rezystory wykonywane w warstwie krzemu polikrystalicznego (typowo 10 MOhm). Komórka mniejsza niż SRAM z 6 MOS. Komórka pobiera statycznie moc.

25. Pamięci tylko do odczytu (ROM) Chip ROM zaprogramowany przy pomocy maski. Programowalny chip ROM – przepalane połączenia.

26. Pamięć nieulotna z pływającą bramką Umieszczenie ładunku w pływającej bramce prowadzi do zmiany napięcia progowego – przesunięcia charakterystyk

27. Pamięć nieulotna z pływającą bramką – napięcie progowe

28. Reprogramowalne pamięci ROM (erasable programable – EPROM) Zapis – przez umieszczenie ładunku elektronów w pływającej bramce. Bramka i dren polaryzowane są wysokim napięciem. Elektrony uzyskują w polu elektrycznym wysoką energię. Stają się „gorące”. Elektrony o dostatecznie wysokiej energii pokonują barierę energetyczną tlenku bramki i są wstrzykiwane do polikrzemu pływającej bramki. Kasowanie – elektronom z pływającej bramki dostarczana jest energia przez oświetlenie ultrafioletem. Uzyskawszy odpowiednią energię elektrony mogą opuścić polikrzem pływającej bramki. Proces kasowania niewygodny – przyrządy zastąpione zostały przez „flash”.

29. flash_1 Pamięci nieulotne „flash” Zapis i kasowanie, to jest umieszczanie i usuwanie elektronów w polikrzemie pływającej bramki, w wyniku tunelowania Fowlera-Nordheima.

30. flash_2 Pamięci nieulotne „flash” 4-bitowa komórka NAND pamięci „flash”

31. flash_3 Pamięci nieulotne „flash” Programowanie

32. flash_4 Pamięci nieulotne „flash”

33. Pamięci nieulotne „flash” – charakterystyki tranzystorów