Польовий транзистор з плаваючим затвором

Транзистор з плаваючим затвором є одним з різновидів польового транзистора (див. рис. 2.29). В нього крім основних складових частин – витоку, стоку і управляючого затвору, є додаткова пластина, яка називається плаваючим затвором. Плаваючий затвор транзистора розташований в глибині діелектрика на деякій відстані від всіх контактів транзистора, що не дає малоенергетичним електронам каналу провідності потрапляти на нього. Вище ізольованого в діелектрику плаваючого затвору розташований управляючий затвор. Якщо до нього прикласти напругу, то багато електронів провідності набувають настільки високої енергії, що можуть внаслідок тунельного ефекту проходити крізь діелектрик і осідати на плаваючому затворі, в результаті чого заряд плаваючого затвору з нейтрального стає негативним. Електрони, що попали на плаваючий затвор, можуть залишатися там протягом десятків років, причому їх кількість не зменшуватиметься, якщо на транзистор не подається напруга. Якщо ж до управляючого затвору прикласти напругу протилежного знаку, то електрони починають з плаваючого затвору стікати, тим самим розряджаючи його. Властивість транзисторів з плаваючим затвором зберігати на ньому заряди широко використовується в напівпровідникових пристроях комп’ютерної пам’яті (докладніше в 2.7.1.6).

2.6.3. Інтегральні мікросхеми

Інтегральні мікросхеми складаються із з’єднаних провідним матеріалом груп функціонально пов’язаних схемних елементів (діодів, транзисторів, резисторів, конденсаторів) в єдиній напівпровідниковій матриці і розміщених в окремій капсулі.

Кожна інтегральна мікросхема, як єдиний прилад, замінює одну або декілька радіотехнічних схем: підсилювачів, генераторів, логічних схем, тощо. Необхідні з’єднання окремих елементів радіотехнічних схем здійснюються вже в технологічному процесі виготовлення інтегральної схеми. З’єднання між елементами схеми здійснюється не зовнішніми провідниками, а за допомогою плівкової або напівпровідникової технології на поверхні або в глибині напівпровідника.

Основою інтегральних мікросхем є напівпровідниковий кристал. Розрізняють три групи інтегральних мікросхем: плівкові, напівпровідникові і гібридні. В напівпровідникових інтегральних схемах всі елементи і між елементні з’єднання виконані в об’ємі і на поверхні напівпровідникової пластини. Кількість елементів може досягати декількох мільйонів. В якості активних елементів в напівпровідникових інтегральних схемах в основному використовуються біполярні транзистори та польові транзистори з ізольованим затвором.

2.7. Оперативна пам’ять

Оперативна пам’ять (ОП) – це робоча область процесора комп’ютера. В ній під час роботи зберігаються програми і дані. Вона часто розглядається як тимчасове сховище, оскільки інформація в ОП зберігається тільки при ввімкненому комп’ютері.

Пристрої ОП інколи називають запам’ятовуючими пристроями з довільним доступом (англ.:RAM - Random Access Memory – пам’ять з довільним доступом). Це означає, що звернення до даних, які зберігаються в ОП, не залежать від порядку зберігання в ній. Зараз поняття RAM означає основний робочий простір пам’яті, який створюється мікросхемами динамічної оперативної пам’яті (Dinamic RAM – DRAM) і статичної оперативної пам’яті (Static RAM – SRAM). RAM є енергозалежною пам’яттю. Це означає, що після виключення ПК дані, які в ній зберігаються, будуть втрачені, якщо їх не зберегти на жорсткому диску або пристрої зовнішньої пам’яті.

Фізично ОП в системі є набором мікросхем або модулів, які підключені до системної плати.

В сучасних ПК використовуються запам’ятовуючі пристрої трьох основних типів:

1. ROM (англ.:Read Only Memory, ПЗП – постійний запам’ятовуючий пристрій);

2. DRAM;

3. SRAM.

2.7.1. Пам’ять типу ROM (енергонезалежна пам’ять).

ROM поділяється на ROM(M), PROM, EPROM, EEPROM і Flash.

2.7.1.1. ROM(M), точніше Mask-ROM, н е може виконувати операції запису і зміни даних, він їх може лише зберігати. ROM(М) є енергонезалежною пам’яттю, тому використовується лише для читання. Дані на ROM(М) записуються під час виробництва мікросхеми шляхом нанесення по масці (звідси назва) алюмінієвих з’єднувальних доріжок літографічним методом. Наявність або відсутність у відповідному місці такої доріжки кодує логічні „0” або „1”.

В ROM(М) знаходятяся команди запуску комп’ютера, тобто програмне забезпечення, яке завантажує систему.

Переваги ROM(M) :

1. Низька вартість при масовому виробництві;

2. Висока швидкість доступу до комірки пам’яті;

3. Висока надійність;

4. Стійкість до електромагнітних полів.

Недоліки ROM(M) :

1. Неможливість перезапису;

2. Складний виробничий цикл (до 8 тижнів).

В сучасних комп’ютерах такий тип пам’яті вже не використовують.

2.7.1.2. В PROM (англ.: Programmable RОМ - програмована пам’ять тільки для читання) як і в ROM інформація може бути записана один раз. Відмінність мікросхем пам’яті PROM від ROM в тому, що PROM випускаються чистими, а в ROM інформація закладається вже при виготовленні. Для запису інформації в PROM використовують програматор. В такій пам’яті масив комірок пам’яті є набором плавких перемичок. Деякі з цього набору під час запису плавляться при пропусканні через них великого струму від програматора, а деякі залишаються цілими. Вони відіграють роль логічних „0” і „1”. Замкнутому стану провідника можна присвоїти значення логічного нуля, а розімкнутому – логічної одиниці.

Пам’ять РROM практично вийшла з ужитку наприкінці 1980-их років.

Переваги PROM :

1. Висока надійність;

2. Стійкість до електромагнітних полів;

3. Можливість програмувати готову мікросхему, це зручно для штучного виробництва;

4. Висока швидкість доступу до комірки пам’яті.

Недоліки PROM :

1. Неможливість перезапису;

2. Необхідність у спеціальному тривалому термічному тренуванні, без якого надійність зберігання даних невисока.

2.7.1.3. EPROM (англ.: Erasable PRОМ - програмована пам’ять тільки для читання з можливістю стирання) – це спеціальний вид PROM з можливістю стирання даних ультрафіолетовим випромінюванням через кварцове вікно в корпусі мікросхеми. Після стирання EPROM може бути перепрограмована. Електронна схема EPROM ідентична PROM. Дані зберігаються в вигляді заряду на плаваючих затворах МОН-транзисторів з лавинною інжекцією заряду (фактично, на обкладках конденсатора з дуже низьким стіканням заряду).

Стирання приводить всі біти області в один стан (частіше у одиниці, рідше –нулі). Запис також здійснюється на програматорах, але вони відрізняються від програматорів PROM. В даний час EPROM майже повністю витіснені EEPRОM і Flash.

Переваги EPROM :

1. Можливість перезапису інформації.

Недоліки EPROM :

1. Невелика кількість циклів перезапису;

2. Неможливість модифікації частини даних на мікросхемі;

3. Велика імовірність перетримати або недотримати мікросхему в ультрафіолетовому випромінюванні, що приводить до „перепалювання” мікросхеми або до збоїв в роботі.

2.7.1.4. ЕЕPROM (англ.: Electrically EPRОM - програмована пам’ять тільки для читання з можливістю стирання електричним розрядом) – спеціальний тип PROM з можливістю стирання даних електричним розрядом. Перший зразок (16Кбіт) на основі транзистора з „плаваючим” затвором і тунелюванням через окисел був випущений в 1983 році. Головна відмінність від попередніх видів ROM полягала в можливості перепрограмування її процесором ПК. Стирання кожної комірки відбувалось автоматично електричним струмом при запису в неї нової інформації, тобто можна було змінити дані в комірці не знищуючи їх в інших комірках. Час стирання тут суттєво більший часу запису.

Переваги ЕЕPROM :

1. Збільшений ресурс роботи;

2. Простіша в експлуатації.

Недоліки ЕЕPROM :

1. Відносно висока вартість.

2.7.1.5. Flash (FlashROM, Flash-memory, Flash-память, флеш-пам’ять). Цей вид мікросхем можна вважати схематичним варіантом ЕЕPROM. Таку мікросхему також можна перепрограмовувати процесором, але перед цим необхідно виконати стирання (повне або поблочне). Існують мікросхеми Flash-памяті з автоматичним посторінковим автостиранням і дуже дрібною розбивкою на сторінки, що наближає їх по можливостях до EEPRОM. Слід розрізняти ОП на основі Flash і зовнішню флеш-пам’ять. Перша схемно вбудована в процесор, а друга є незалежним пристроєм зберігання даних і лише має подібну до FlashROM організацію (див. 2.4).

Переваги Flash :

1. Висока швидкість перезапису за рахунок того, що стирання інформації відбувається блоками;

2. Собівартість виробництва невисока.

Недоліки Flash :

1. Повільний запис в довільні ділянки пам’яті.

2.7.1.6. Будова і принцип дії ROM з можливістю перезаписування.

У всіх перепрограмованих ПЗП кількість перезаписувань складає від 10 до 10000 разів завдяки використанню елементів пам’яті на МДН транзисторах зі структурою МНОН (Метал Al – Нітрид кремнію Si₃N₄ – Окисел кремнію SiO – Напівпровідник Si) або зі структурою ЛІЗМОН (Метал – Окисел кремнію – Напівпровідник з Лавинною Інжекцією Заряду). Як говорилось вище, ці ПЗП можна розділити на мікросхеми, що стираються електричним сигналом і ультрафіолетовим випромінюванням.

2.7.17. Будова і принцип дії МНОН і ЛІЗМОН.

МНОН є, найчастіше, МОН-транзисторами (Метал – Окисел кремнію – Напівпровідник) з провідним каналом n – або р – типу, що має двошаровий діелектрик під затвором (див.рис. 2.31, а). Верхній шар сформований з нітриду кремнію, нижній (набагато тонший) – з окислу кремнію.

Процес програмування такої мікросхеми відбувається в два етапи:

1. Стирається інформація шляхом подачі імпульсу напруги негативної полярності біля 40 В на затвор. Електрони витісняються із підзатворного діелектрика в основу напівпровідника (елемент пам’яті отримує стан „0”);

2. Подається імпульс напруги позитивної полярності на затвор. Електрони переходять в міждіелектричний шар, що, відповідно, еквівалентне стану „1”.

2.7.1.8. Будова і принцип дії SST.

Описаними вище комірками пам’яті на основі транзисторів з плаваючим затвором не обмежується різноманіттям можливих конструкцій. Широкого вжитку набула комірка SST. Будовою вона нагадує комірку на основі ЛІЗМОН, але в ній змінені форми плаваючого і управляючого затворів (див. рис. 2.38).

Управляючий затвор має вигнуту форму, так що одночасно знаходиться над витоком і краєм стоку. Плаваючий затвор при такій конструкції управляючого може знаходитись між ним і витоком. Це суттєво спрощує процеси інжекції „гарячих” електронів і тунелювання Фаулера-Нордхейма, яке відбувається не в область витоку, а в область управляючого затвору. Така будова транзистора значно підвищує його довговічність за рахунок довшого збереження структури діелектрика.

2.7.1.9. Будова і принцип дії MLC.

Комірка MLC відноситься до так званих багаторівневих комірок. В ній одночасно може зберігатись декілька біт інформації. Принцип роботи такого транзистора полягає в наступному. Як видно з рис. 2.33 при наявності заряду на плаваючому затворі, провідний канал перекривається і струм через транзистор припиняється. Транзистор можна відкрити подаючи деякий більший потенціал (пороговий потенціал) на управляючий затвор. Таким чином, по значенню порогового потенціалу на управляючому затворі можна судити про кількість заряду на плаваючому затворі. В MLC є можливість розрізняти за допомогою порогового потенціалу різну кількість заряду на плаваючому затворі: немає заряду – відповідає логічному „11”, одна третина заряду – відповідає логічному „10”, дві третини – логічному „01”, повністю заряджений плаваючий затвор – логічному „00”. Це означає, що в одній комірці пам’яті можна зберігати два біта інформації. В сучасних розробках є можливість розрізняти 16 рівнів порогового потенціалу, що відповідає 4 бітам.

2.7.1.10. Будова і принцип дії NROM (Nitrid ROM).

Комірка NROM за своєю структурою є також транзистором з плаваючим затвором. Управляючий затвор підключається до лінії слів, а витік і стік до двох незалежних ліній біт. Плаваючий затвор виконаний не з металу, а з нітриду кремнію Si₃N₄ (див. рис. 2.39).

Нітрид кремнію локалізує заряд в обмеженому просторі плаваючого затвору, не дозволяючи електронам „розтікатись” по всьому його об’єму. Фактично це дозволяє зберігати два інформаційних біта в одному транзисторі. Запис бітів проводиться за допомогою інжекції „гарячих” електронів за допомогою двох стоків/витоків. Електрони, інжектуючись в плаваючий затвор, локалізуються там в області близькій до відповідного стоку/витоку. Видалення заряду з плаваючого затвору відбувається шляхом інжекції дірок, для чого на стік/витік подається позитивна напруга. Дірки тунелюють в плаваючий затвор, рекомбінуючи там з електронами.

2.7.2. Пам’ять типу RAM (енергозалежна пам’ять). RAM поділяється на DRAM і SRAM.

2.7.2.1. DRAM (динамічна оперативна пам’ять) використовується в більшості систем оперативної пам’яті сучасних ПК. Основна перевага пам’яті такого типу полягає в великій щільності інформації, яка може в ній зберігатись.

Комірки пам’яті в мікросхемах DRAM – це маленькі конденсатори, які утримують заряд. Саме так (наявністю або відсутністю заряду) і кодуються біти. Фізично для зберігання одного біта інформації в комірці DRAM знаходиться один транзистор і один (рідше – декілька) конденсатор. Сукупність таких комірок утворюють умовний „прямокутник”, який складається із певної кількості рядків і стовпців (див. рис. 2.40). Один такий „прямокутник” називається сторінкою, а сукупність сторінок - банком.

Ще одним недоліком DRAM є низька швидкодія, зазвичай DRAM набагато „повільніша” процесора. Тому існує велика кількість різних типів організації DRAM, що дозволяють покращити цю характеристику: SDRAM, DDR SDRAM (Double Data Rate three Synchronous Dynamic Random Access Memory), DDR2 SDRAM, DDR3 SDRAM, RDRAM та інші.

2.7.2.2. SRAM (статична оперативна пам’ять). На відміну від DRAM, для зберігання в ній інформації не потрібна періодична регенерація. Крім того, SRAM має більш високу швидкодію ніж DRAM і може працювати на тій же частоті, що і сучасні процесори.

Суттєвим недоліком SRAM є набагато менша в порівнянні із DRAM щільність інформації, яка може в ній зберігатись. Це викликане тим, що для збереження біта інформації використовується схема із шести транзисторів Завдяки цьому габарити мікросхеми SRAM такої ж ємності як DRAM приблизно в 30 разів більші. Приблизно у стільки ж разів вища і її вартість.

В SRAM комірки пам’яті побудовані на різних варіантах тригерів – транзисторних схемах з двома стійкими станами. Після запису біта в таку комірку тригер може знаходитись в одному з цих станів і зберігати записаний біт як завгодно довго за умови електричного живлення.

2.3. Твердотільні накопичувачі.

Твердотільний накопичувач (Solid State Drive) — це напівпровідниковий накопичувач, що складається з мікросхем пам’яті і контролера (подібно до флеш-пам’яті). Існують два види SSD - накопичувачів, які базуються на використанні енергозалежної (RAM SSD) і незалежної (NAND або Flash SSD) пам’яті. Перші характеризуються швидким читанням, записом і пошуком інформації в пристрої пам’яті і використовуються в основному для прискорення роботи великих систем управління базами даних і потужних графічних станцій. Основним їх недоліком є надзвичайно висока вартість. Інші ж мають набагато нижчу вартість (від $2 за ГБ) і характеризуються відносно невеликими розмірами і низьким енергоспоживанням, і саме вони є найбільш перспективними.

Використовується дві технології для виробництва твердотільної пам’яті:

1. NAND SSD (SLC);

2. MLC.

SLC (Single Level Cell) — технологія, при якій кожна комірка пам’яті використовується для зберігання одного біта даних. У свою чергу MLC (Multi Layer Cell) дозволяє зберігати у комірці 4 біта даних. Зрозуміло, що на основі MLC можна створювати більш місткі SSD - диски. Недоліком є те, що вони при цьому програють в швидкості читання/запису в порівнянні з технологією SLC (приблизно в півтора рази).

Найочевидніша перевага SSD перед звичними жорсткими дисками полягає в його монолітності. Якщо HDD мають рухомі частини (в більшості вінчестерів диски обертаються зі швидкістю 7200об/с), то в SSD рухомих частин немає. Це гарантує вищу надійність роботи пам’яті — адже чим менше рухомих деталей, тим надійніший пристрій. Це також гарантує повну безшумність флеш-дисків.

Окрім очевидних, SSD має також ряд інших переваг. Зокрема, варто відзначити, що твердотільні накопичувачі мають в 2-3 рази меншу вагу ніж вінчестери. Але часто найбільше значення має на порядок менше енергоспоживання SSD - дисків в порівнянні з HDD.

Окрім переваг, на зразок пониженої шумності і надійності, в SSD - накопичувачів є свої переваги при читанню/запису даних. Твердотільні накопичувачі працюють на абсолютно однакових фізичних елементах - елементах пам’яті. При читанні файлу, що займає декілька блоків, весь процес фактично займає час, потрібний для доступу до одного блоку, оскільки SSD може працювати паралельно з декількома елементами пам’яті. Магнітна головка HDD працює послідовно з кожною коміркою пам’яті, тому вона буде послідовно проходити блоки і читати з них інформацію. Швидкість зчитування при цьому досить суттєво падає, оскільки потрібна інформація знаходиться в різних секторах диску. І тому HDD витрачає в середньому 12-13мс на позиціювання головки і дообертання диску до потрібного місця. В SSD же на весь процес витрачається близько 0,01мс.

Серйозною проблемою у них є життєвий цикл. Так, час життя комірки пам’яті SSD в середньому складає біля 10 тис. перезаписів (хоча деякі виробники заявляють про більшу кількість). Крім того, у SSD неможливо записати нову інформацію поверх старої без всяких попередніх дій як у жорстких дисків. Інший суттєвий недолік, який і є визначальним для користувача, — висока ціна SSD - накопичувачів..

2.8.1. Флеш-пам’ять

Найновішим типом змінного накопичувача, не основаного на принципі магнітного запису є флеш-пам’ять (Flash-memory). Флеш-пам’ять можна означити як особливий вид енергонезалежної, напівпровідникової пам’яті з можливістю перезапису. Вона:

1. енергонезалежна, оскільки не вимагає додаткової енергії для зберігання даних. Енергія потрібна тільки для запису.;

2. має можливість перезапису даних як окремих блоків пам’яті, так і пам’яті цілком;

3. напівпровідникова (твердотільна), оскільки побудована на основі інтегральних мікросхем і не має рухомих механічних частин (як жорсткі диски або СD).

Принципова відмінність флеш-пам’яті від RAM полягає в її енергонезалежності. Ця пам’ять може на протязі необмеженого часу (десятки років) зберігати інформацію при відсутності зовнішнього живлення.

Основною структурною одиницею, яка використовується для зберігання біта інформації, у флеш-пам’яті є МДН транзистор з плаваючим затвором. Заміни пам’яті DRAM і SRAM флеш-пам’яттю не відбувається через такі причини:

1. Суттєво повільніша робота;

2. Обмеження по кількості циклів перезапису (10⁴ – 10⁶).

2.8.2. Архітектура флеш-пам’яті

Комірка флеш-пам’яті на основі транзистора з плаваючим затвором може використовуватись для створення масивів енергонезалежної пам’яті. Для цього потрібно певним чином об’єднати в один масив множину таких комірок, тобто створити архітектуру пам’яті.

2.8.3. Архітектура NOR

Дана архітектура була розроблена для флеш-пам’яті фірмою Intel в 1988 році. За допомогою такої схеми здійснюється перетворення вхідної напруги у вихідну, яка відповідає логічним „0” і „1”. Пояснимо принцип дії такої схеми. Для цього умовно припустимо, що опір відкритого транзистора дорівнює нулю, а опір закритого - якомусь дуже великому значенню (що є недалеким від істини). Нехай в початковому стані на вході всіх транзисторів схеми немає сигналу („0”), вони закриті, відповідно на виході С є потенціал, оскільки вся схема є подільником напруги. Потенціал на виході відповідає логічній „1”. Якщо на вході А є сигнал, а на вході В – нема, то транзистори Т3 відкривається, його опір стає рівним нулю, і, значить, потенціал на виході стає рівним нулю (логічний „0”). Те ж саме спостерігається при відсутності сигналу на вході А, і присутності – на В. Тепер транзистор Т4 відкривається і закорочує вихід С на корпус. При подачі напруги на обидва входи А і В схеми всі транзистори відкриються і знову потенціал на виході С дорівнює нулю.

Недоліки:

Погане масштабування.Kомірка пам’яті покрита сіткою провідників ліній слів і біт. Оскільки запис інформації в комірку відбувається методом інжекції „гарячих” електронів, що вимагає високої напруги, всі лінії слів, біт і витоків необхідно розміщувати на достатньо великій відстані одна від одної для забезпечення достатньої ізоляції. Це є причиною неможливості зменшення площі мікросхем шляхом мінімізації розмірів транзисторів нижче деякого масштабу.

Іншим недоліком такої комірки є ефект надлишкового видалення заряду з плаваючого затвору, який не може компенсуватись процесом запису. В результаті, на плаваючому затворі утворюється додатній заряд і транзистор завжди залишається у відкритому стані.

2.8.4. Архітектура NAND.

Дану архітектуру флеш-пам’яті розробила фірма Toshiba в 1989 році.Схема логічного елемента, який отримав назву (NAND – Not AND – в булевій математиці означає „і - не”)

Архітектура NAND у флеш-пам’яті застосовується найчастіше у матриці, елемент якої показано на рис. 2.45.Тут, як і в архітектурі NOR, вхідні сигнали ідуть по лініях слів на управляючі затвори, а вихідні сигнали знімаються по лініях біт. При проходженні одночасно сигналів на два сусідні транзистори з плаваючими затворами („1”) і на два транзистори з селективних ліній вони відкриваються, їх опори стають близькими до нуля і на лінії біт потенціал стає рівний нулю („0”). Будь які інші варіанти з відкриттям лише одного транзистора будуть давати на виході „1”. Селективні лінії необхідні для керування записом і зчитуванням необхідних комірок.

Якщо порівнювати архітектури NOR і NAND, то можна відзначити більшу швидкість читання у першої і запису (причому, набагато) у другої архітектури.

Архітектура NAND найчастіше застосовується в картах пам’яті.

2.8.7. Перспективні технології флеш-пам’яті

а) MRAM (англ.: MagnetoresistiveRandom Access Memory – магніторезистивна пам’ять з довільним доступом) базується на використанні магніторезистивного ефекту.

Електронна схема MRAM відрізняється від DRAM (див. рис. 2.40) присутністю замість конденсатора елемента, що складається з двох розділених діамагнетиком (оксид алюмінію) магнітних шарів.

Один із феромагнітних шарів (нижній) є постійним магнітом з визначеним напрямком магнітного моменту. Намагнічення іншого шару може змінюватись на 180⁰ шляхом прикладання зовнішнього магнітного поля або напруги. Це можливе завдяки використанню матеріалу надрешіток і переходу з магнітним тунелюванням MTJ (Magnetic Tunnel Junction). Якщо магнітні моменти обох шарів паралельні, електричний опір всього елементу невеликий, це відповідає стану логічної „1”. Якщо „антипаралельні” – опір малий, і це відповідає стану „0” (див. рис. 2.47). Напрямок магнітних моментів шарів можна змінювати пропускаючи струм великого значення по шинах з якими контактують магнітні шари. Як відомо, навколо таких провідників із струмом виникає магнітне поле, яке і перемагнічує відповідний феромагнітний шар.

Переваги:

1. енергонезалежність;

2. простота контролю намагнічення;

3. висока швидкість доступу (декілька нс).

Недоліки:

1. необхідність великого струму перемагнічення;

2. вплив перезапису біта на сусідні комірки.

Саме ці недоліки поки що гальмують широке впровадження MRAM.

б) FeRAM (англ.: Ferroelectric Random Access Memory– сегнетоелектрична пам’ять з довільним доступом).

Комірка пам’яті FeRAM може випускатись в чотирьох наступних модифікаціях:

1. Комірка має структуру DRAM, лише замість конденсатора з діелектриком між пластинами використовується сегнетоконденсатор (конденсатор з сегнетоелектриком між пластинами, позначається 1Т-1С FeRAM);

2. Комірка є МДН транзистором, з тою різницею, що замість діелектрика між управляючим затвором і напівпровідником знаходиться сегнетоелектрик і лінії біт підводяться до витоку і стоку (1Т FeRAM);

3. Комірка є сегнетоконденсатором між пластинами (1С FeRAM),

4. Комірка складається з двох транзисторів і двох сегнетоконденсаторів (2Т-2С FeRAM).

В якості матеріалу сегнетоелектрика беруться змішані поліметалічні оксиди, що спікаються в сегнетоактивні кераміки.

Сегнетоелектрик поляризується і в залежності від напрямку цієї поляризації стан комірки пам’яті можна інтерпретувати як логічні „0” або „1”. Час процесу переполяризації дуже малий (менше 1 нс) і сам процес вимагає незначного енергоспоживання. Кількість циклів запису досягає декількох мільярдів.

Внутрішня будова транзистора з сегнетоелектриком показана на рис. 2.51. В якості сегнетоелектрика у нього використовується SrBi₂Ta₂O_9. Розглянемо принцип дії 1Т FeRAM. При подачі на управляючий електрод додатнього потенціалу, а на електроди стоку/витоку від’ємного – сегнетоелектрик поляризується. В такому стані транзистор закритий, струм через нього не йде, це інтерпретується як логічна „1”. Якщо змінити полярність під’єднаної напруги до електродів, то можна змінити напрямок поляризації сегнетоелектрика і закодувати логічний „0”.

Принцип читання відрізняється від реалізації в DRAM. Між стоком і витоком подається додатна напруга (+6В). Якщо в транзисторі був закодований „0”, він не відкривається і струму на виході нема. Якщо була закодована „1”, то сегнетоелектрик переполяризовується і виштовхує в канал провідності з буферного шару електрони. На короткий час виникає імпульс струму, який і інтерпретується як „1”. Слід відмітити, що процес читання перезаписує вміст комірки пам’яті і тому необхідно після нього відновлювати дані.

1С FeRAM (зараз називають SFRAM) в майбутньому замінить SRAM. Вважається, що це відбудеться в найближчі декілька років.

Принцип запису біта в комірку 1Т-1С FeRAM наступний. На лінію слів подається потенціал, який відкриває транзистор. Підключаючи напругу різної полярності до сегнетоконденсатора по лініях біт, можна по різному поляризувати сегнетоелектрик, що відповідає логічним „0” і „1”.

в) PCRAM (phase-change random access memory – оперативна пам’ять зі зміною фазових станів).

Цей вид пам’яті базується на властивості халькогенідів (сплав GeSbTe із стехіометричним складом 2:2:5) змінювати під дією нагрівання або електричного струму свій фазовий стан від кристалічного до аморфного. В кристалічному стані цей матеріал є електропровідним і прозорим для широкого діапазону світлових хвиль, в аморфному стані – непровідним і непрозорим. До цього часу використовувались лише оптичні властивості халькогенідів в технологіях запису і стирання інформації на CD-RW і DVD-RW диски. В

пам’яті PCRAM використовуються його електропровідні властивості. Двом фазовим станам речовини можна поставити і відповідність логічні „0” і „1”. Дана речовина знаходиться між двома твердими металічними електродами. При подачі короткочасного імпульсу струму великої потужності для випадку ОП (див. рис. 2.54) під його дією халькогенід розплавлюється. Швидке охолодження від вентиляції не приводить до відновлення його кристалічної структури. В результаті халькогенід закріплює аморфну структуру і, відповідно, великий опір (логічний „0”).

Для запису „1” використовується довгий по часу імпульс струму невеликої потужності. Під дією цього струму матеріал розігрівається, молекули халькогеніду перебудовуються в кристалічну структуру (процес „відпалення”) і відновлюють свої електропровідні і оптичні властивості.

В практичному застосуванні пам’ять PCRAM подібна до PROM, в яку поміщені фалькогенідні вставки (див. рис. 2.55).

Переваги:

1. Висока щільність зберігання інформації (декілька атомів необхідно для створення комірки для зберігання інформації. Реально можна розміри комірки довести до 5 нм);

2. Малий час перепрограмування (1 нс).

Недоліки:

1. Необхідність нагріву халькогеніду до декількох сотень градусів за Цельсієм (значне енергоспоживання);

2. Відносно невисока швидкодія.

г) RRAM (resistive random access memory – резистивна пам’ять з довільним доступом). Інколи пам’ять RRAM називають пам’яттю організованою на мемрісторі. Символьно мемрістор позначається на схемах (див. рис. 2.56):

За принципом дії RRAM подібна до PCRAM, тільки замість зміни фазового стану під дією тепла тут використовується електрохімічна реакція. Матеріалом для резистивної пам’яті є непровідний для струму оксид, наприклад, SrTiO₃ (позначається - STO) або SrZrO₃ (SZO).

Завдяки прикладеній високій напрузі у кристалі, утримуються дірки і вільні електрони, які можуть стати носіями заряду. Дірки формують вузькі електропровідні канали, які приводять до зменшення опору кристалу. Зворотна напруга повертає кисень, знову перетворюючи матеріал в діелектрик з великим опором. Такі переходи створюють стійкі стани пам’яті, які змінюються тільки під дією високих значень напруги певної полярності.

Дата добавления: 2015-05-24