Физические механизмы работы полупроводниковых устройств памяти

Тип устройства памяти	Запоминание заряда	Метод записи	Метод считывания	Примечание
ПЗУ	Не производится	Формирование (разрушение) перемычек при изготовлении	Неразрущаю-щий "опрос" перемычек	-
СППЗУ	На плавающем зат-воре транзистора ЭП	Инжекция на плавающий затвор триггера	Считывание (без измене-ния) напряжения на триггере	Стирание информации при освещении УФ-излу-чением
ЭСППЗУ	На поверхностном состоянии плавающего затвора транзистора ЭП	Туннельная инжекция	- " -	Стирание информации при инжекции заряда другого знака
СЗУПВ	В статическим триггере ЭП	Передача сигнального заряда на ин-формац. вход	Считывание сигнального заряда (без его изменения)	-
ДЗУПВ	На ёмкости затвора транзистора ЭП	Передача сигнального за-ряда на ин-формац. вход	Считывание сигнального заряда (с его изменением)	Необходима перио-дич. регенерация

В ЭП ПЗУ информация записывается на этапе изготовления П. у. (наличие или отсутствие ряда проводников схемы, или перемычек). В ЭП на рис. 3, а перемычкой является цепь истока полевого транзистора. ЭП ПЗУ может также строиться на основе наличия или отсутствия диффузионных областей стока или истока (см. Прибор с зарядовой связью).Современные ПЗУ ёмкостью 1 Мбит состоят из ЭП площадью 30 мкм² и с временем переключения 80 150 нс.
ППЗУ представляют собой программируемые (уже после изготовления П. у.) ПЗУ, лишённые возможности стирания информации. В них используются ЭП с перемычкой (рис. 3, б), пережигаемой электрич. импульсом, или р - п -диод, к-рый замыкается накоротко при подаче импульса, вызывающего лавинный пробой. ППЗУ выполняются по биполярной (быстродействующие ППЗУ) и др. технологиям (см. МДП-структура, Микропроцессор, Логические схемы). Совр. биполярные ППЗУ ёмкостью 64 кбит состоят из ЭП площадью 100 мкм² и с временем переключения 50 нс [3]. ЭП ПЗУ и ППЗУ относятся по сути к ЭП на изменениях (нарушениях) структуры носителя (создание или разрушение перемычек, замыкание диодов) со считыванием информации электрич. методами.
Работа ЭП СППЗУ и ЭСППЗУ основана на практически пост. удержании заряда. Заряд накапливается в проводящей области, находящейся внутри подзатворного окисла МДП-структуры, поэтому их работа определяется принципами работы МДП-приборов. Т. к. носители остаются в плавающем затворе и после отключения питания, СППЗУ и ЭСППЗУ являются энергонезависимыми П. у. [3, 4]. В ЭП СППЗУ (рис. 3, в) состояние ЭП определяется наличием или отсутствием заряда на плавающем затворе полевого транзистора (МДП - транзистора) с двойным затвором. СППЗУ ёмкостью 1 Мбит состоят из ЭП площадью 20 30 мкм² и имеют время переключения 80 - 150 нс [4]. ЭП ЭСППЗУ (рис. 3, г)содержит транзистор с плавающим затвором, отделённым от кремния слоем окисла. Запись (стирание) информации осуществляется при пропускании туннельного тока между затвором и подложкой.
ЭП СЗУПВ строятся на базе триггеров.При этом могут использоваться как полевые транзисторы (рис. 3, д), так и транзисторы биполярные (рис. 3, е). По быстродействию биполярные СЗУПВ превосходят все остальные типы полупроводниковых П. у. Типичное время переключения биполярных СЗУПВ ёмкостью 10 кбит составляет менее 4 нс, а СЗУПВ ёмкостью 256 кбит - менее 30 нс, при размере ЭП 5 мкм и 2 мкм соответственно [3, 4].
Альтернативой статическому триггеру являются динамический ЭП, в к-рых заряд хранится лишь в течение небольшого времени. Наиболее распространённый ЭП ДЗУПВ состоит из конденсатора и транзистора (рис. 3, ж). Транзистор используется лишь для достуна к заряду, хранящемуся в конденсаторе. Поскольку заряд постепенно уменьшается (из-за процессов генерации и рекомбинации), необходимо с периодом ~1()^-3с регенерировать информацию в ЭП. Совр. ДЗУПВ имеют ёмкость в неск. Мбит. Динамика увеличения плотности размещения ЭП на носителе полупроводниковых П. у. представлена на рис. 4. Сравнение предельных характеристик П. у. разл. типа приведено на рис. 5.

Рис. 4. Динамика увеличения плотности хранения информации для полупроводниковых устройств памяти.

Рис. 5. Сравнение предельных характеристик устройств памяти различных типов.

Оптические элементы памяти [6]. В основе оптич. ЭП лежит явление оптической бистабилъности или мультистабильностп (см. также Оптические компьютеры).Реализация таких ЭП должна удовлетворять следующим требованиям: схема ЭП должна быть нелинейной и иметь обратную связь. Тогда при циклич. изменении, напр., входной интенсивности светового пучка на входе оптич. бистабильного ЭП он может функционировать обратимо. Простейшим примерем бистабильного оптич. ЭП является интерферометр Фабри - Перо, заполненный средой с насыщающимся поглощением (рис. 6, а). Поскольку пропускание интерферометра зависит от длины резонатора, свойств заполняющего его вещества и длины световой волны, управляя параметрами вещества и интенсивностью падающего света, можно регулировать пропускание интерферометра. Зависимость интенсивности прошедшего пучка от интенсивности падающего имеет вид петли гистерезиса (рис. 6, б), где области 1 и 3 являются областями стабильности ЭП [6].

Рис. 6. Интерферометр Фабри - Перо как оптический бистабильный элемент (а) и петля гистерезиса зависимости интенсивности прошедшего пучка от интенсивности падающего пучка (б): 1 - полупрозрачные зеркала.

Мин. размер оптич. ЭП определяется минимально необходимым числом атомов ансамбля, для к-рого устойчиво наблюдается оптич. бистабильность. Это число составляет ~10³ двухуровневых атомов (полная энергия системы 0,25 фДж для фотонов с энергией 1,5 эВ). Такая ситуация имеет место в оптич. ЭП на базе GaAs при темп-ре 10 К, переключаемых энергией 15 фДж, распределённой на площади диаметра 0,25 мкм. Времена переключения ограничиваются временем установления поля врезонаторе, временем отклика среды и динамич. эффектами резонатора и могут достигать долей нс (рис. 5). Важными особенностями оптич. ЭП являются их высокая помехозащищённость от эл--магн. шумов и высокая надёжность (кол-во переключений неограниченно).
Перспективные элементы памяти. Среди перспективных П. у. можно выделить голографические, использующие для записи, хранения и восстановления изображений ЭП, основанные на принципах голографии. В этом случае мы имеем дело с аналоговыми ЭП, поскольку оптич. плотность носителя информации (напр., эмульсионного слоя фотопластинки) изменяется непрерывно. Интенсивно развивающийся цифровой синтез голограмм позволяет сопрягать между собой голографич. ЭП и цифровые системы [7].
Среди перспективных полупроводниковых П. у. можно выделить устройства на одноквантовых джозефсоновских ЭП (см.Джозефсона эффект)и на одноэлектронных ЭП (туннслироваиие одиночных электронов в туннельных переходах сверхмалых размеров) [5]. Мин. размер одноквантовых джозефсоновских ЭП ограничен снизу величиной порядка глубины проникновения 0,1 мкм, обеспечивающей плотность записи информации 10⁴ 10⁵ бит/мм². Времена переключения таких ЭП при темп-ре жидкого азота составляют ~ 10^-11 с. В одноэлектронных ЭП их мин. размер ограничен толщиной туннельной прослойки ( 3 - 4 нм). В перспективе такие ЭП позволят создать П. у. с плотностью записи информации 10⁸ бит/мм² и временем переключения ~1 нс[5].
Наряду с разработкой новых полупродниковых ЭП интенсивно ведутся работы по созданию ЭП на молекулярном уровне (молекулярные ЭП) [8]. Для их реализации необходимы наличие в молекулярной системе не менее двух различимых стабильных состояний системы, достаточно большое время их жизни и возможность избирательно переводить систему в каждое из этих состояний. Оценка плотности записи информации в молекулярном П. у. составляет ~10⁶ бит/мм². При использовании частотно-селективной записи (т. и. спектральная память) её можно увеличить до значения ~10⁹ бит/мм² [8]. Путь уменьшения размера ЭП приводит вслед за разработкой молекулярных ЭП к атомным ЭП, в к-рых в качестве носителя информации может выступать одиночный атом. Действительно, двухуровневый атом представляет собой бистабильный логич. элемент, переключение к-рого осуществляется при переходе атома из одного энергетич. состояния в другое под действием внеш. поля.

Иерархия П. у. Наряду с делением П. у. по физ. принципам работы ЭП исторически сложилось деление П. у., используемых в ЭВМ, на внешние П. у., характеризующиеся большой ёмкостью информации (до 100 Гбайт) и относительно большим временем доступа к информации ( 10^-3 мс); оперативные П. у., характеризующиеся ср. параметрами по быстродействию ( 100 нс) и ёмкости (1 10 Мбайт); кеш - П. у. (от англ. cache - тайник) с ёмкостью от 100 байт до десятков кбайт и быстродействием 10 нс; регистровые П. у. ёмкостью в неск. десятков байт и быстродействием 0,5 1 нс.
Назначение П. у. определяет тип ЭП, используемых в П. у. Напр., для кеш-П. у. применяются, как правило, биполярные схемы, для оперативного II. у. - ДЗУПВ или СЗУПВ.

Архитектура П. у. Под архитектурой П. у. понимается логич. организация совокупности аппаратных средств объединения ЭП. П. у. можно разделить но способам доступа к содержащейся в них информации и разрядности (числу одновремено считываемых бит информации). Существуют произвольный и последоват. метод доступа (чтения или записи) к информации в П. у. При произвольном методе доступа обращение происходит либо по заданному номеру ЭП, либо по ассоциативному признаку информации (заданному коду), определяющему номер ЭП. Простейшим примером ассоциативного доступа является поиск файла на магн. ленте по его имени (признаком является имя файла).
Кол-во одновременно записываемых (считываемых) бит определяет разрядность П. у. Увеличение разрядности П. у. приводит к снижению времени доступа к необходимой информации. Развитие архитектуры П. у. идёт по пути распараллеливания операций записи (считывания) информации (создание т. н. многопортовых П. у.), использования объёма носителя (объёмные П. у.) [4] и др.

Разновидности полупроводниковой памяти:

NOR, NAND, NVRAM, SRAM, DRAM,FB-DIMM, EEPROM, Flash

Дата добавления: 2015-05-10