Félvezető memóriák

1. Félvezető memóriák Budapesti Műszaki Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2004 március

2. Félvezető memóriák csoportosítás -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)

3. szóvezetékek cella A5 Dekóder A4 cím A3 cellamátrix multiplexer D0 adat Chip Bitvezetékek A2 A1 A0 cím A MEMÓRIÁK SZERVEZÉSE Teljesen 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

4. szóvezetékek cella A5 Dekóder A4 cím A3 cellamátrix multiplexer D0 adat Chip Bitvezetékek A2 A1 A0 cím N bites cellamátrix: -nem feltétlenül négyzetes -területe N-el arányos Dekóder, multiplexer: -területe N0.5 -el arányos Összterülete -el arányos.

5. A MEMÓRIÁK ÖSSZEKAPCSOLÁSA Címek Udd, GND A: címbemenetek D: data, adat be/kimenetek CE: Chip Enable R/W: Read/Write üzemmód választó 1. memória A Adatok R/W CE Címek 2. memória A D R/W CE

6. cím Vdd dekóder Maszk 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.

7. Félvezető memóriák MOS ROM memória Programozás: kontaktusablak maszkon Poli szóvezetékek Aktív terület Bitvezeték

8. Felhasználó által programozható ROM kategóriák

9. PROM 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 ki1 a bitvezeték aktiválásakor áram folyik, ha a biztosíték nincs kiégetve

10. Félvezető memóriák “Biztosítékos” PROM memória (bipoláris) A CrNi biztosíték

11. 1.2μm ONO n+ poli Si SiO2 SiO2 n+ diffúzió PROM, CMOS technológiával CMOS PROM-okban az "antifuse" technológiát alkalmazzák. PLICE : {Programmable Low Impedance Circuit Element} kisméretű 1.2m  1.2m 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, 125C

12. G poli Si lebegő gate poli Si gate S D n+ n+ p szubsztrát EPROM Elektronikusan programozható, UV fénnyel törölhető. Az információtároló elem: egy ún. FAMOS tranzisztor {Floating gate Avalanche MOS} Keresztmetszete A cella felépítése VDD szóvonal bitvonal a MOS tranzisztorhoz képest egy "lebegő" (nincs sehova kötve) gate van kialakítva.

13. +VDD +VDD 0V e- e- e- e- e- e- n+ n+ p szubsztrát EPROM / PROGRAMOZÁS A source-t földeljük, a gate-re és a drainre nagy pozitív feszültséget kapcsolunk. (kb. 25V) 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.

14. EPROM / TÖRLÉS Az EPROM tok tetején egy átlátszó kvarcablakot alakítanak ki. e- e- e- e- e- e- n+ n+ p szubsztrát 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)

15. ROM/ EEPROM (E2PROM) 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)

16. MNOS 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.

17. FLASH EEPROM A két tranzisztoros EEPROM cellát egy különleges tranzisztor helyettesíti, így a sűrűség összemérhető az EPROM sűrűséggel. Programozás: mint az EPROM cella esetében, lavinaletöréssel Törlés: mint az EEPROM cella esetében, tunnelezéssel.

18. 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)

19. Félvezető memóriák: DRAM 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. 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.

20. Félvezető memóriákDinamikus RAM részlete Bitvezeték A csiszolat vonala Aktív terület Bitvezeték C Poli szóvezeték Csatorna=Aktív AND Poli

21. DRAM 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.

22. DRAM működése, a töltésmegosztás A bitvonal saját kapacitása nagyobb, mint a tároló kapacitás, így töltésmegoszlás történik: PÉLDA Legyen CB = 20CS, VDD=3.3V, VT=0.7V Ekkor 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.

23. DRAM : Alfa részecskék hatása 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.

24. ROM jellegzetes paraméterek Véletlen elérésre! RAM jellegzetes paraméterek