ю. А. КОСАРЕВ

С.В. ВИНОГРАДОВ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИ

ИЗМЕНЯЕМЫЕ ПЗУ

БИБЛИОТЕКА

ПО

АВТОМАТИКЕ

ВЫПУСК 651

Ю. А. КОСАРЕВ

С. В. ВИНОГРАДОВ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИ ИЗМЕНЯЕМЫЕ

ПЗУ

Ленинград ЭНЕРГОАТОМ ИЗ ДАТ Ленинградское отделение 1985

БДК 32.973

К71

УДК 681.327.6

РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ:

И. В. Аптик, Г. А. Артамонов. А. А. Воронов, А. М. Закс, В. К. Левин, В. С. Малов, В. Э. Низе, Д. А. Поспелов, И. В. Прангишвили, Ф. Е. Темников, Г. М. Уланов, Ю. М. Черкасов, А. С. Шаталов

Рецензент В. Б. Смолов

Косарев Ю. А., Виноградов С. В.

К 71 Электрически изменяемые ПЗУ. — Л.: Энергоатом- издат. Ленингр. отд-ние, 1985. — 80 с., ил.— (Б-ка по автоматике. Вып. 651).

25 к. 25000 экз.

Приведены сведения о принципе действия, схемотехнике и особенностях использования полупроводниковых постоянных запоминающих устройств, допускающих запись информации электрическим способом. Рассмотрены элементы и устройства, основанные на принципе пережигания плавких перемычек, хранения заряда в двухслойной структуре МНОП-транзистора и в изолированном затворе лавинно-инжекционного МОП-транзистора, на применении аморфных полупроводников. Приведены характеристики промышленных образцов схем памяти и программаторов.

Для инженеров и техников, занимающихся вычислительной техникой и радиоэлектроникой. Может быть полезна студентам вузов.

ББК 32.973 6Ф7.3ББК 32.973 6Ф7.3. 2405000000- 127 л _

ББК 32.973 6Ф7.3

ББК 32.973 6Ф7.3

К 051(01)—85263 85

ПРЕДИСЛОВИЕ

Программируемые устройства постоянной памяти возникли и получили широкое распространение в последние 10—12 лет в связи с бурным развитием микропроцессоров и микро-ЭВМ. Эти устройства сделали возможным в считанные секунды настроить (или перенастроить) микропроцессор на обработку любой информации в любой сфере применения. Программа этой обработки заносится электрическим способом в БИС памяти и может храниться там достаточно долго, независимо от наличия или отсутствия питания. Это придает электронным устройствам обработки информации гибкость и универсальность, а кроме того, позволяет постепенно исключать при эксплуатации вычислительных средств такой ненадежный и все более дефицитный носитель информации, как бумага. Электрически программируемые постоянные запоминающие устройства (ЭППЗУ) становятся неотъемлемым компонентом микропроцессорных систем. Эти устройства памяти совершенно незаменимы в автоматизированных системах управления технологическими процессами, где требуется частая модификация программ в связи с широкой номенклатурой выпускаемой продукции.

Область применения данной разновидности устройств памяти не ограничивается вычислительными системами и постоянно расширяется. В то же время, как и во всякой новой, быстрорвзвивающейся области научно-технических знаний, здесь остро ощущается недостаток в систематической информации, что заставляет разработчиков обращаться к многочисленным разрозненным источникам информации и, естественно, замедляет процесс освоения ЭППЗУ, микропроцессоров и микроЭВМ.

Цель этой книги достаточно скромная — сосредоточить многочисленные разрозненные сведения о принципе действия, схемотехнике, программировании и особенностях применения интегральных полупроводниковых ЭППЗУ.

При изложении материала возникли трудности с терминологией и классификацией. В гл. 1 мы приводим возможный вариант классификации программируемых ПЗУ, поскольку без этого было бы невозможно

Дальнейшее изложение материала. Главы 2—5 посвящены различным типам ЭППЗУ. В гл. 6 рассмотрены вопросы программирования БИС и модулей памяти. Для облегчения специалистам выбора устройства памяти в гл. 7 приведен сравнительный анализ известных типов данных устройств и сделана попытка прогноза их развития.

Авторы благодарны д-ру техн, наук профессору В. Б. Смолову и канд. техн, наук А. О. Тимофееву за ценные замечания, которые способствовали улучшению книги.

Отзывы о книге, замечания и пожелания просьба направлять по адресу: 191041, Ленинград, Марсово поле, 1, Ленинградское отделение Энергоатомиздата.

Авторы

ГЛАВА ПЕРВАЯ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИ ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ПЗУ В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ

КЛАССИФИКАЦИЯ

При разработке приемлемого варианта классификации полупроводниковых ПЗУ (рис. 1) авторы стремились максимально использовать наиболее устойчивые понятия и сокращения, употребляемые в отечественной и зарубежной литературе [7, 32; 39].

Для определенности уточним смысл некоторых применяемых сокращений:

ПЗУ — постоянное запоминающее устройство, содержимое которого не может быть заменено процессором в ходе выполнения программы и сохраняется при снятии питания ЭВМ;

Рис. 1. Классификация интегральных полупроводниковых ПЗУ

ЭППЗУ — электрически программируемое ПЗУ, допускающее в особом режиме программирование или репрограммирование с помощью электрических сигналов;

ППЗУ — ПЗУ, однократно программируемое с помощью электрических сигналов;

РПЗУ —ПЗУ, репрограммируемое с помощью электрических сигналов.

В основу классификации положены следующие признаки:

признак способа программирования, позволяющий разделить все виды ПЗУ на масочные, в которые информация заносится на стадии изготовления масочным способом, и электрически программируемые, в которые информация может быть занесена электрическим способом;

признак кратности программирования, который разделяет ЭППЗУ на устройства с однократным программированием за счет необратимых изменений структуры. устройства (ППЗУ) и с многократной сменой (репрограммированием) информации (РПЗУ);

признак способа хранения информации, разделяющий РПЗУ на хранящие информацию за счет внесения электрического заряда и за счет обратимых изменений физической структуры (изменение электропроводности материала путем перевода его из кристаллического состояния в аморфное, образование или устранение микроперемычек между изолированными площадками материала и др.).

Перечисленные в нижнем ярусе разновидности ЭППЗУ подробно рассматриваются в последующих разделах книги.

мации, хранящейся в подобных приборах. Разработчики и пользователи средств вычислительной техники хотят иметь возможность по своему усмотрению выбирать набор команд, простым способом менять этот набор и алгоритмы решения конкретных задач, чтобы оперативно учитывать тот нелегкий опыт, который постепенно приобретается на стадиях разработки, отладки и опытной эксплуатации систем.

В связи с этой насущной потребностью в 70-е годы появился и быстро развивается на основе успехов микроэлектроники класс устройств постоянной памяти с электрическим программированием и репрограммированием. На их долю в США, например, в конце 70-х годов приходилось две трети общего объема применяемых ПЗУ. Применение подобных устройств позволяет в считанные секунды заносить в постоянную (энергонезависимую) память систем в автоматическом или полуавтоматическом режиме значительные массивы информации (десятки и сотни тысяч бит), что обеспечивает гибкость, компактность и высокую надежность различных средств автоматики и вычислительной техники.

В микропроцессорных системах программируемые ПЗУ занимают особо важное место. По существу технический переворот в области обработки информации с помощью микропроцессоров основан на том, что привычные многообразные электрические схемы обработки сигналов были заменены типовыми микроэлектронными вычислительными средствами, в которых процедура обработки информации разбита на элементарные шаги, а программа, описывающая полную последовательность этих шагов, записана в ПЗУ. Программируемые ПЗУ позволяют в полной мере реализовать основные идеи, лежащие в основе микропроцессорной техники. Первое — сама возможность хранения программы обработки информации в компактной и надежной физической среде— в кристалле кремния. Второе — универсальность и гибкость системы, возможность быстро и просто модифицировать эту программу столько раз, сколько потребуется в ходе разработки и отладки системы, возможность полной перестройки системы на решение новой задачи без изменения аппаратной части, исключительно за счет смены информации, хранящейся в памяти. Третье — энергонезависимость хранения программы, свойственная всем ПЗУ, возможность использования микропроцессора как встроенного съемного модуля в различных механизмах и агрегатах.

Особенно эффективно применение программируемых ПЗУ на стадии отладки программного обеспечения микропроцессорных систем. Откладка и оптимизация некоторой программы в общем случае требуют нескольких десятков ее прогонов в системе, а каждый такой прогон требует записи в ПЗУ нового варианта программы. Наличие ПЗУ, которое можно быстро репрограммировать при помощи стандартных адресных сигналов, значительно упрощает процедуру отладки и оптимизации программ. Поэтому в системы отладки микропроцессор-

ных систем и в так называемые прототипные комплекты обязательно входят ЭППЗУ (например, набор Intellec-80 фирмы «Интел», США). После завершения всех этапов отладки программного обеспечения, при сборке промышленных образцов систем эти ПЗУ могут быть заменены более компактными и дешевыми стандартными ПЗУ, программируемыми масочным способом при изготовлении. В этих ПЗУ предусматривают идентичные с ЭППЗУ разводку выводов, уровни сигналов и питающих напряжений.

При другом подходе ЭППЗУ могут быть использованы на этапе опытного производства при выпуске мелких партий. Такой подход может оказаться экономически более выгодным, поскольку масочное программирование ПЗУ требует больших затрат времени и средств, которые окупаются лишь при крупносерийном производстве.

Перспективны ЭППЗУ и в областях, где требуется дистанционное репрограммирование микропроцессорной системы, установленной в недоступных или опасных для человека местах, например в ядерных реакторах, в морских глубинах, в космосе. Сигналы репрограммирования могут быть при этом переданы стандартными радиотехническими средствами на огромные расстояния.

Говоря далее о перспективах развития кибернетических систем, необходимо отметить, что именно ЭППЗУ позволят физически воплотить такие качества информационных систем, как адаптивность, способность к обучению, переобучению и самообучению.

Большие возможности для создания гибких средств автоматики открываются благодаря применению ЭППЗУ в программируемых логических матрицах (ПЛМ). Ранее ПЛМ для реализации заданной логической функции программировались на стадии изготовления. Электрически программируемые ПЛМ удобно использовать, в частности, для реализации комбинаторной логики, в качестве контроллеров последовательных схем, в качестве быстродействующих знакогенераторов при крупных или необычных нестандартных шрифтах, а также для одновременного выполнения нескольких подобных функций. Примерами промышленных образцов таких ПЛМ могут служить прибор 82S101 фирмы «Сигнетик» и прибор IM5200 фирмы «Интерсил», США [19]. Прибор 82S101 программируется однократно путем выжигания нихромовых перемычек. Прибор IM5200 может программироваться многократно, в нем использован эффект лавинной инжекции. Время выборки составляет приблизительно 50 нс.

Применяются ЭППЗУ также в программируемых калькуляторах для хранения программ арифметических вычислений, в блоках цифровой настройки телевизоров и ЧМ-приемников — для хранения частот каналов, в портативных измерительных приборах с батарейным питанием. Началось их успешное использование в системах числового управления станками и технологическими процессами. В многоканальных системах передачи данных ЭППЗУ позволяют регулировать часто- 8

ТЫ ditpdca каналов Для согласования скорости передача с шйрйиой йо- лосы. Они могут успешно применяться в различных АТС для периодического изменения режима работы, в пультах автоматического набора для оперативного запоминания ограниченного набора номеров абонентов. Эти ПЗУ находят применение в системах распознавания речи для хранения эталонов распознаваемых образов и алгоритмов распознавания, особенно на стадиях исследования речевого материала, разработки алгоритмов и отладки систем. Имеется также много примеров использования ЭППЗУ в электронном оборудовании торговых предприятий, в развлекательной и бытовой технике,

ГЛАВА ВТОРАЯ

ОДНОКРАТНО ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ПЗУ

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ППЗУ

В настоящее время ППЗУ получили самое широкое распространен ние среди всех электрически программируемых устройств памяти. Принцип действия ячейки ППЗУ основан на физических процессах, позволяющих необратимо изменить электрическое сопротивление двухполюсника, По принципу действия различают два типа однократно программируемых запоминающих элементов (ЗЭ): резисторный и диодный, в которых программирование осуществляется соответственно пережиганием плавких перемычек и пробоем р — «-переходов.

Бит информации, хранящейся в ЗЭ резисторного типа, определяется наличием или отсутствием плавкой перемычки. В режиме считывания на ЗЭ подают напряжение и хранимое значение бита определяют по значению тока, протекающего через перемычку. В состоянии после изготовления ЗЭ хранит 1 (сопротивление перемычки мало), а после пережигания плавкой перемычки—-0. В качестве плавких перемычек широко применяют тонкие пленки из нихрома или поликристаллическо- го кремния. Сопротивление перемычки составляет около 10 Ом. В режиме программирования через перемычку пропускают импульс тока плотностью около 107 А/см2, в результате чего она необратимо разрушается. Вследствие малых размеров перемычки и большой энергии, выделяемой при пережигании, физические процессы в пленке достаточно сложны. В работе [22] на основе теории рэлеевских неустойчивостей показано, что в пленке при нагревании возникают гидродинамические волны и разрыв перемычки происходит посредине. Согласно другой модели, которая базируется на теории минимальных поверхностей, разрыв пленки происходит во многих местах, и это подтверждено микроскопическим анализом. Сложность теоретических моделей не позволяет выбрать надежный режим программирования путем расчета, по-

М'ому параметры ПрограМмируЮщйх импульсов подбираются экспериментально.

Работа ЗЭ диодного типа основана на необратимых явлениях, происходящих при пробое обратносмещенного р— «-перехода. В исходном состоянии ЗЭ диодного типа хранит 0, а его обратное сопротивление очень велико. При программировании к диоду прикладывается запирающее напряжение повышенного уровня, под действием которого р — «-переход пробивается, т. е. происходит короткое замыкание (состояние логического 0),

Электрически программируемый ЗЭ любого типа ПЗУ имеет два устойчивых состояния, т. е. способен хранить только один бит цифровой информации. Для создания полупроводниковых ЭППЗУ большой емкости используют запоминающую матрицу из ЗЭ, объединенных системой координатных шин. В любой момент времени в активном состоянии может находиться только один из X входов матрицы, остальные находятся в пассивном состоянии. Для того чтобы ток, протекающий через выходные шины У, отражал степень проводимости ЗЭ в данной строке, необходимо сделать развязку между ЗЭ, подключенными к одной и той же выходной шине; обычно для этого используют диоды или транзисторы, т. е. каждая запоминающая ячейка должна содержать ЗЭ и элемент электрической развязки [20, 33].

В схеме ячейки на рис. 2, а в режиме считывания подается положительное напряжение на шину X, а выходной сигнал снимается с нагрузки, включенной последовательно в шину У. В режиме программирования (запись 0) на шину X подается импульс более высокого напряжения, под действием которого пережигается перемычка и нарушается электрическое соединение между катодом диода и шиной У. Обычно для пережигания нихромовых перемычек необходимо пропустить ток 50—100, а кремниевых — примерно 20 мА.

Вследствие того что диод является пассивным элементом, для получения высокого быстродействия формирователи возбуждения вход-

Рис. 2. Запоминающие ячейки на основе резисторного ЗЭ: а— с диодной и б — с транзисторной развязкой

Рис. 3. Запоминающие ячейки на основе диодного ЗЭ: а — на диодах Шотки; б — на транзисторе

ных шин выборки строки должны иметь малое выходное сопротивление, так как в момент подачи напряжения на шину происходит заряд* ка паразитных емкостей матрицы входным током. Использование в качестве элементов развязки транзисторов, включенных по схеме с общим коллектором (рис. 2, 6) , позволяет существенно снизить ток выборки для шин X; кроме того, благодаря усилительным свойствам транзистора дешифратор при программировании может задавать в выбранную шину значительно меньший ток, чем необходимо для пережигания перемычек. Обычно запоминающие матрицы строят на основе п— р— п- транзисторов, что позволяет достичь наивысшего быстродействия и наибольшей плотности упаковки на кристалле для биполярных транзисторов. Некоторые разработчики предпочитают использовать в качестве элемента развязки р— п — р-транзистор, что позволяет при простой конструкции матрицы существенно увеличить выход годных схем, так как параметры таких транзисторов менее чувствительны к дефектам эпитаксиальных пленок.

Ячейки памяти на основе диодного ЗЭ (рис. 3) состоят из двух встречновключенных р — п переходов. При считывании состояния ЗЭ на шину X подается положительное напряжение, а с нагрузки, подключенной к шине У, снимается выходной сигнал. В исходном состоянии элемент хранит 0, а его сопротивление очень велико. Для записи 1 к встречновключенной паре р— «-переходов прикладывается повышенное напряжение, при котором запертый переход пробивается и замыкается накоротко. Сравнительно перспективным считается выполнение ЗЭ на встречновключенных диодах Шотки (рис. 3,0), которые в настоящее время получают все большее распространение. В исходном состоянии встречновключенные диоды не проводят тока (состояние логического 0), но при программировании вследствие пробоя происходит закорачивание обратносмещенного диода (состояние логической 1).

Встречновключенные переходы часто создаются на основе транзистора с отключенной базой (рис. 3,6). Эмиттер транзистора соединяется с разрядной шиной. В режиме программирования при подаче достаточного потенциала на эмиттер (при заземлении коллектора) происходит

необратимый пробой эмиттерного перехода и транзистор превращается в диод, образованный переходом коллектор — база.

На основе рассмотренных выше эффектов и запоминающих ячеек созданы микросхемы и блоки ППЗУ емкостью более 64К бит и време* нем выборки 15—100 нс со встроенными схемами обрамления.

Кроме рассмотренных двух принципов действия ППЗУ необходимо назвать также превращения в аморфном полупроводниковом материале. Эти вопросы применительно к РПЗУ подробно рассматриваются в гл. 5. Здесь же сообщим лишь, что разработаны и выпускаются с 1984 г. такие ППЗУ емкостью до 64К бит [9]. Переключатели из аморфного кремния в каждой ячейке памяти действуют как изоляторы до момента приложения напряжения программирования, которое приводит к необратимому фазовому переходу, превращающему аморфный кремний в кристаллический; последний в результате становится проводником. Новые ППЗУ имеют время выборки 40—50 нс. Ожидается, что эти ЗУ будут надежнее ППЗУ с пережиганием перемычек.

МИКРОСХЕМЫ И БЛОКИ ППЗУ

На рис. 4 показана электрическая схема матрицы, где шины X подключены к выходам дешифратора адреса, а шины Y — к усилителям считывания. Одним из новых направлений в создании схем ЗУ такого типа 1[3] является использование технологии, условно называемой «кремний на сапфире» (КНС). Применение тонких монокристалличе ских пленок кремния, наращиваемых на подложке из сапфира (материала, имеющего сходную с кремнием кристаллическую структуру), позволяет получить приборы с малыми площадями р— /г-переходов. Этим обеспечивается малая емкость перехода, высокое быстродействие и возможность создавать приборы в виде микромощных интегральных схем.

Рис. 4. Организация матрицы ППЗУ на основе резисторных ЗЭ с диодной развязкой

Рис. 5. График изменения амплитуды программирующих импульсов для мнкросборки К712РВ1

Обычно плавкую перемычку в КНС-ППЗУ изготовляют из алюминия. Разрушение перемычки происходит из-за теплоты, выделяющейся на р—«-переходе при прохождении тока программирования. Высокое качество пережигания перемычек было получено при использовании серии линейно нарастающих по ампли- I туде (рис. 5) импульсов синусоидальной формы с частотой повторения 100 Гц [32].

быстродействующегобыстродействующегомодулямодуляППЗУ с микромощным потреблеППЗУ с микромощным потреблеНа основе микросборкн К712РВ1 возможно построение

быстродействующего

быстродействующего

модуля

модуля

ППЗУ с микромощным потребле

ППЗУ с микромощным потребле

X

нием. Применяются гибридныеинтегральные схемы, оформленныением. Применяются гибридныеинтегральные схемы, оформленныеРис. 6. Запоминающая матрица на основе многоэмиттерных транзисторов

нием. Применяются гибридныеинтегральные схемы, оформленные

нием. Применяются гибридныеинтегральные схемы, оформленные

в виде герметичного контей

нера этажерочной конструкции, причем число модулей может изменяться. Можно получить следующие модификации ЗУ: 4096X8; 3072X8; 2048X8; 1024X8; 512X8; 2048X16; 1536X16; 1024X16; 512X16; 256X16. Параметры модулей при этом следующие:

Время выборки, нс, не более100

Удельная потребляемая мощность считывания, мкВт/бит, не более40

Удельная плотность информации, бит/см3, не менее ...100

Опубликованные в литературе данные свидетельствуют о возможности создания КНС-ППЗУ с высоким уровнем интеграции (5120 диодов на одном кристалле), временем обращения 20 нс и мощностью 0,06 мВт/бит [3]. На основе таких кристаллов возможна организация ППЗУ с различной емкостью памяти, например 3200 одноразрядных слов (1 базовый кристалл), 364 16-разрядных слова (2 базовых кристалла), 2048 12-разрядных слов (9 базовых кристаллов). Применение подобных ППЗУ неудобно из-за сложности внешних схем управления, поэтому в настоящее время наибольшее распространение получили БИС ППЗУ на основе биполярных транзисторов со встроенными схемами управления.

Матрицу резисторного ППЗУ с транзисторной развязкой чаще всего выполняют на основе многоэмиттерных транзисторов (рис. 6). Входные шины X подключены к базам транзисторов; таким образом, один многоэмиттерный транзистор осуществляет выборку ячеек всей строки матрицы.

Рис. 7. Схема управления пережиганием перемычек в матрице резисторного ППЗУ

Последовательность работы элементов схемы при пережигании перемычек в матрице на основе многоэмиттерных транзисторов удобно рассмотреть на примере ТТЛ-схемы (рис. 7) [26J. Процедура программирования начинается с подачи на выход схемы через ограничительный резистор R1 (300—400 Ом) напряжения -р2 В. При этом напряжении стабилитрон V' пробивается и в базу транзистора V" поступает ток. После этого на входы схемы подается код адреса и устанавливается номинальное напряжение питания 5 В. На одном из входов Xi— XN возникает разрешающий уровень и через запоминающую ячейку поступает ток. При номинальном напряжении питания этого тока недостаточно для разрушения перемычки, поэтому следующим шагом является увеличение напряжения питания микросхемы на несколько миллисекунд до —|—12 В, что приводит к пережиганию перемычки.

Отечественная промышленность выпускает ППЗУ типа К155РТЗ с организацией 32X8 бит (рис. 8), которое программируется пережиганием нихромовых перемычек. Входной усилитель предназначен для формирования сигналов управления дешифраторами DC. 32 выходные шины дешифратора подключены к соответствующим входам матрицы. Подача 0 на вход разрешения выборки РВ запрещает выборку входных шин матрицы. Выходные каскады микросхемы выполнены по схеме с общим коллектором. В исходном состоянии во всех ячейках матрицы записан 0 (перемычки целы, т. е. проводят ток). Для записи 1 на вход схемы подается адрес программируемого слова, а на вход РВ — уровень логической 1. На выход схемы, соответствующий разряду, в который должна быть записана 1, через резистор сопротивлением 390 Ом подается напряжение 12,5 В. Затем подается импульс напряжения питания амплитудой 10,5—12,5 В, длительностью 200 мс. В большинстве случаев ток программирования равен примерно 40 мА [22, 28J.

Большой интерес для разработчиков представляет ТТЛШ-серия К556, в которую входят БИС К556РТ4, К55рРТ5 и К556РТ6. Одно

Рис. 8. Структурная схема микросхемы типа К155РТЗ

/—запоминающая матрица 32X8; 2— стабилизатор; 3— схемы считывания и программирования

Рис. 9. Структурная схема микросхемы типа К556РТ4

/ — запоминающая матрица 32X32; 2 — дешифраторы столбцов; 3 —схемы считывания и программирования

кратно программируемые ПЗУ серии К556 программируются путем пережигания нихромовых перемычек. Принцип построения структуры микросхем этой серии рассмотрим на ППЗУ типа К556РТ4 [6] (рис. 9). Микросхема имеет организацию 256X4 бит. Считывание информации производится при подаче 0 на оба входа CS. При любой другой комбинации входных сигналов на выходах ППЗУ возникает 1. При считывании на входы адресного формирователя Ло—Л7 подается код адреса считываемого слова. С выходов адресного формирователя прямые и инверсные значения входного кода подаются на входной и выходной дешифраторы. Входной дешифратор выбирает одну из 32 строк запоминающей матрицы, содержащей 32 бита (восемь 4-разрядных слов). Для считывания одного из восьми слов, выбранных входным дешифратором, служат выходные дешифраторы, управляемые тремя адресными входами. С выходных дешифраторов код считанного слова через усилители считывания подается на внешнюю нагрузку. Выходы усилителей считывания выполнены по схеме с открытым коллектором, что позволяет наращивать число адресуемых ячеек по схеме «монтажное или».

Схема блока ППЗУ емкостью 8К байт изображена на рис. 10.

Параметры блока ППЗУ Напряжение питания, В+5±5%

Потребляемая мощность, Вт: в статическом режиме50

в импульсном режиме10

Время выбора адреса, нс150

Микросхема К500РТ149 серии ЭСЛ является одной из наиболее быстродействующих микросхем ППЗУ с пережиганием перемычек. Структурная схема прибора [25] практически не отличается от схемы ППЗУ К556РТ4.

Как уже отмечалось в § 3, физически пережигание перемычек изучено пока не настолько, чтобы рекомендовать оптимальный, научно обоснованный режим записи 0. Поэтому наблюдается большое разнообразие экспериментально выбранных режимов программирования ППЗУ. Программирование обычно ведется сериями импульсов с изменяемыми во времени параметрами. Так, например, авторы работы [25] рекомендуют вести программирование микросхемы К155РТЗ пачками импульсов по 4 в каждой с возрастающей длительностью от 1 до 100 мс, постоянной скважностью 10 и амплитудой 12 В, а программирование микросхем К556РТ4 —- сериями импульсов со скважностью 10, причем каждая серия состоит из двух пачек длительностью Юи 100мс, а амплитуда импульсов в обеих пачках возрастает от 10 до 15 В. В работе [39] для программирования микросхем К556РТ4 и К556РТ5 предлагается использовать серию из 1000—4000 импульсов длительностью 25—100 мкс — в нормальном режиме, из 100 импульсов длительностью 10—15 мс — в форсированном режиме. При программировании

К556РТ4

типа

Микросхемы К500РТ149 рекомендуется использовать последовательность импульсов с линейно нарастающей от 10 до 15 В амплитудой и скважностью 10 [25],. Последовательность состоит из двух пачек импульсов длительностью 20 мкс и 1 мс. Ток программирования рекомендуется удерживать в пределах 50—100 мА.

Некоторым недостатком ППЗУ является то, что микросхемы, невозможно подвергнуть полному контролю по записи на заводе-изготовителе, поэтому процент выхода годных микросхем по результатам программирования составляет 50—70 %. <

Существенным препятствием для использования микросхем ППЗУ серий ТТЛ с большой степенью интеграции в современной аппаратуре является большая мощность потребления в режиме хранения (1— 1,5 Вт). Наиболее эффективный способ снижения потребляемой мощности— использование импульсного режима питания, при этом питающее напряжение подается на микросхему только в режиме считывания. Если обращение к ППЗУ производится редко, то питание можно отключать на длительное время, при этом снижение потребляемой мощности может быть довольно значительным. В работе [15] описан режим работы микросхемы К556РТ4, позволяющий снизить потребляемую мощность на 25—30 % практически без уменьшения быстродействия.

В последнее время в состав некоторых новых образцов БИС ППЗУ включаются схемы токовых ключей и схемы управления, позвс ляющие организовать работу микросхемы в режиме с импульсным питанием. Однако необходимо помнить, что при импульсном питании быстродействие ППЗУ несколько снижается из-за переходных процессов в цепях управления. Несмотря на указанные недостатки, благодаря высокому быстродействию (При постоянном напряжении питания), высокой плотности упаковки и неограниченному времени хранения ППЗУ находят все более широкое применение в вычислительной технике и радиоэлектронике. Параметры отечественных и .зарубежных ППЗУ приведены в табл. 1 и 2.

Таблица 1

Параметры отечественных микросхем ППЗУ с пережиганием перемычек

Микросхема

Емкость, бит

Организация, бит

Время выборки, нс

Удельная потребляемая мощность, мВт/бит

Технология

Ближайший зарубежный аналог

К155РТЗ

256

32X8

35

1,2

ТТЛ

—

К556РТ4

1024

256X4

35

0,5

ттлш

ММ6331

К556РТ5

4096

512X8

45

0,2

ттлш

ММ6381

К556РТ6

16 384

2048X8

60

0,08

ттлш

—

К500РТ149

1024

256X4

16

0,5

эсл

МС10149, 10416

К712РВ1

320

16X20

2

0,04

кнс

—

Таблица 2

Параметры зарубежных микросхем ППЗУ

Микросхема

। Фирма, страна

R Я ю

и О я 2 ы

R

Я У

8 i

к Я я

3 н

2

CQ 8#

'о я

я Я О. О XD 3 я

я 2

и

«

ч *^

'S ^ °* я h G о

* 5 я О я

§«5

>> 2 2

а

2 5 св . р-н If « к О СО я

Способ программирования

ММ6350/51

„ММИ-, США

4G96

1024X4

60

30

0,21

5

Пережигание нихромовых перемычек

3604/24

„Интел", США

4096

512X8

70

30

0,25

1

Пережигание перемычек из поли- кристаллического кремния

1М5605/25

„Интерсил", США

4096

512X8

50

25

0,17

0,5

Пробой р—/2-переходов

М6331

„Моноли- тик мемо- рис", США

256

32X8

40

0,19

ММ6301

То же

1024

256X4

45

0,43

—

—

ММ6381

8192

1024X8

70

0,08

—

—

82S191

„Сигне- тик", США

16 384

2048X8

70

—

0,05

—

•—

82S184/5

То же

8192

2048X4

100

—

0,15

—

Пережигание нихромовых перемычек

GXB10149

„Сименс", ФРГ

1024

256X4

12

6

0,57

1

То же

Примечание. Микросхема GXB 10149 — по технологии ЭСЛ, остальные — по технологии ТТЛ.

В настоящее время наблюдаются некоторые новые направления в развитии ППЗУ. Например, изготовление плавкой перемычки из NiCr позволяет довести емкость кристалла до 64К бит. При использовании биполярных транзисторов в ППЗУ емкостью 64К бит удельная мощность снижена до 16 мВт/бит при времени выборки 85 нс, а в КМОП ППЗУ емкостью 16К бит с кремниевыми перемычками достигнуто время 200 пс [5]. Есть перспектива увеличения информационной плотности этих ППЗУ путем замены конструкции с горизонтальным на конструкцию с вертикальным размещением перемычек ЗЭ.

ГЛАВА ТРЕТЬЯ

РЕПРОГРАММИРУЕМЫЕ ПЗУ НА ОСНОВЕ МОП-СТРУКТУР

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЛАВИННО-ИНЖЕКЦИОННОГО МОП ЗУ С ПЛАВАЮЩИМ ЗАТВОРОМ

В настоящее время разработаны и все более широко используются ЭППЗУ на основе МОП-структур с плавающим (изолированным) затвором с использованием эффекта лавинной инжекции (ЛИПЗ МОП) [1]. Приборы этого класса бывают двух разновидностей: со стиранием ультрафиолетовыми (УФ) лучами и со стиранием электрическими сигналами. Запоминающий ЛИПЗ МОП-транзистор с УФ-стиранием представляет собой МОП-транзистор с индуцированным каналом, металлический затвор которого помещен в толще диоксида кремния и не имеет обычного металлического вывода (рис. 11). От кристалла затвор отделяет слой диоксида толщиной около 0,1 мкм, верхний же изолирующий слой более толстый — 1 мкм. В качестве материала затвора обычно используется тугоплавкий молибден или поликристаллический кремний.

Принцип действия ЛИПЗ МОП-транзистора основан на образова

нии проводящего канала, если на плавающем затворе находится заряд: отрицательный для р-канального и положительный для п-канального транзистора. При наличии заряда на затворе транзистора последний находится в открытом состоянии (логический 0), при отсутствии заряда— в закрытом (логическая 1), поэтому считывание хранимой инфор

мации сводится к определению проводимости транзистора.

Важным свойством ЛИПЗ

Рис. И. Структура запоминающего ЛИПЗ МОП-транзистора с УФ-стиранием1 — электрод истока; 2 — слой диоксида кремния; 3 — плавающий затвор; 4 — электрод стока; 5—кристалл; 6 — сток;7 — истокРис. И. Структура запоминающего ЛИПЗ МОП-транзистора с УФ-стиранием1 — электрод истока; 2 — слой диоксида кремния; 3 — плавающий затвор; 4 — электрод стока; 5—кристалл; 6 — сток;7 — истокМОП-транзистора является то, что заряд на затворе при считывании не уменьшается. Потеря заряда происходит в основном за счет тока утечки через диоксид кремния. Благодаря низкой проводимости диоксида кремния, окружающего затвор, заряд на нем, а следовательно, и проводящее состояние транзистора сохраняются после записи длительное время. Время хранения информации зависит от качества материала МОП- структуры и от количества заряда, накопленного на затворе.

Рис. И. Структура запоминающего ЛИПЗ МОП-транзистора с УФ-стиранием

1 — электрод истока; 2 — слой диоксида кремния; 3 — плавающий затвор; 4 — электрод стока; 5—кристалл; 6 — сток;

7 — исток

Рис. И. Структура запоминающего ЛИПЗ МОП-транзистора с УФ-стиранием

1 — электрод истока; 2 — слой диоксида кремния; 3 — плавающий затвор; 4 — электрод стока; 5—кристалл; 6 — сток;

7 — исток

Рис. 12. Схема подключения ЛИПЗ МОП-транзистора с однозатворной (а) и двухзатворной (б) структурой к шинам запоминающей матрицы

Для занесения логического 0 (режим записи) к переходу сток — кристалл прикладывается напряжение 30—50 В, включающее переход в обратном направлении. В результате лавинного пробоя часть носителей приобретает энергию, достаточную для преодоления энергетического барьера между кристаллом и диэлектриком. Инжектированные из кристалла носители дрейфуют в диэлектрике к плавающему затвору и накапливаются на нем. В транзисторе, изготовленном на кристалле n-типа, в затворе накапливаются электроны. Из-за вероятностного характера инжекции носителей значение накопленного заряда пропорционально времени записи. Ускоренные испытания ЛИПЗ МОП-транзисторов показали, что информация, записанная в такую ячейку импульсами длительностью 1 мс и амплитудой 50 В, может сохраняться в течение 10 лет [1]. Вероятность инжекции электронов много выше, чем дырок, поэтому обычно применяют ЛИПЗ МОП-транзисторы с индуцированным р-каналом [42].

Для перевода транзистора в состояние 1 (режим стирания) необходимо разрядить плавающий затвор путем облучения структуры УФ-лучами, при этом за счет ионизации диоксида кремния затвор разряжается по пути затвор — кристалл.

На рис. 12,а изображена схема подключения ЛИПЗ МОП-транзистора (V2) к координатным шинам матрицы ЗУ; при этом транзистор VI служит только для выбора запоминающего транзистора. Таким образом, данная запоминающая ячейка содержит два транзистора: запоминающий транзистор и транзистор выборки. Более совершенная структура, в основе которой лежит элемент с составным затвором, изображена на рис. 13 [30]. Нижний (плавающий) затвор хранит заряд, а верхний (затвор выборки) осуществляет доступ к элементу. Таким образом, плотность упаковки информации в кристалле ЗУ увеличилась

Рис. 13. Структура запоминающего ЛИПЗ МОП-транзистора с составным затворомРис. 13. Структура запоминающего ЛИПЗ МОП-транзистора с составным затвором/ — диоксид кремния; 2 — затвор выборки; 3 — плавающий затвор; 4 — полупроводник типа п (сток); 5 — внедренный слой типа р; 6 — полупроводник типа п (исток); 7 —кремниевый кристалл типа р/ — диоксид кремния; 2 — затвор выборки; 3 — плавающий затвор; 4 — полупроводник типа п (сток); 5 — внедренный слой типа р; 6 — полупроводник типа п (исток); 7 —кремниевый кристалл типа р

Рис. 13. Структура запоминающего ЛИПЗ МОП-транзистора с составным затвором

Рис. 13. Структура запоминающего ЛИПЗ МОП-транзистора с составным затвором

/ — диоксид кремния; 2 — затвор выборки; 3 — плавающий затвор; 4 — полупроводник типа п (сток); 5 — внедренный слой типа р; 6 — полупроводник типа п (исток); 7 —кремниевый кристалл типа р

/ — диоксид кремния; 2 — затвор выборки; 3 — плавающий затвор; 4 — полупроводник типа п (сток); 5 — внедренный слой типа р; 6 — полупроводник типа п (исток); 7 —кремниевый кристалл типа р

почти вдвое. Схема подклю* чения двухзатворного ЛИПЗ МОП-транзистора к шинам матрицы показана на рис. 12 Д

Процесс облучения УФ” светом при занесении 1 занимает много времени, требует специального оборудования, работающего на других физических принципах. Все это ограничивает область применения РПЗУ с УФ-стиранием. Электрическая запись и электрическое стирание возможно в другой разновидности ЛИПЗ МОП-транзистора, который имеет два кремниевых затвора: плавающий и управляющий (рис. 14) [17]. В транзисторе такого типа плавающий затвор изолирован

управляющего доволь-

Рис. 14. Запоминающий ЛИПЗ МОП-транзистор с электрической записью и электрическим стиранием / — управляющий затвор; 2 — плавающий затвор; 3 — вспомогательная р+-область;

4 — полупроводник типа п+ (сток); 5 — полупроводник типа р (кристалл); 6 — полупроводник типа л+ (исток)

Рис. 15. Запоминающая ячейка на основе ЛИПЗ МОП-транзистора с электрическим стиранием

Но толстым слдем оксида (около 0,2 мкм), предотвращающим утечку заряда, причем диэлектрик между плавающим затвором и поверхностью полупроводника на различных участках имеет различную толщину. Над большей частью затворной области толщина оксида составляет 0,11 мкм, а над вспомогательной р+-областью с целью облегчения нижекции заряда при стирании типовая толщина оксида равна 0,06 мкм. Вспомогательная р+-область формируется методом диффузии таким образом, что непосредственно смыкается со стоковой областью прибора. Если плавающий затвор транзистора заряжен положительно, то транзистор открыт и такое состояние соответствует уровню 0. Отрицательно заряженный затвор закрывает транзистор, что соответствует уровню 1.

Для занесения 1 (режим записи) используется низковольтный пробой стокового перехода п+—р+, в ходе которого осуществляется инжекция электронов в плавающий затвор и перевод его в отрицательно заряженное состояние. Для занесения 0 (режим стирания) на исток транзистора подается напряжение 4*36 В, на управляющий затвор -^40 В, а на кристалл —5 В, в результате чего происходит поверхностный пробой истокового п+—р-перехода и генерация электронно-дырочных пар, а электрическое поле между истоком и управляющим затвором вызывает инжекцию дырок в плавающий затвор.

Запоминающая ячейка на основе ЛИПЗ МОП-транзистора с электрическим стиранием содержит два n-канальных транзистора (рис. 15): V2 есть собственно запоминающий транзистор, а VI служит для выборки данной ячейки.

МИКРОСХЕМЫ И БЛОКИ РПЗУ С УФ-СТИРАНИЕМ

Отечественной промышленностью разработана серия К573 [8], представляющая собой ЛЙПЗ МОП РПЗУ с электрической записью и УФ-стиранием (табл. 3). На кристалле прибора, изготовленного по n-канальной МОП-технологии, выполнены матрица-накопитель и схемы обрамления. Репрограммируемые ПЗУ емкостью 4К, 8К и 16К бит выпускаются серийно, разработаны микросхемы емкостью 32К и 64К бит.

Ячейками памяти РПЗУ серии К573 являются МОП-транзисторы с двумя затворами, один из которых является управляющим и выполняет функции затвора классического МОП-транзистора, другой изолирован от всех элементов диоксидом кремния и служит для накопления и хранения заряда, инжектируемого из канала транзистора в процессе программирования. Микросхемы РПЗУ емкостью 4К, 8К и 6К бит выпускаются в стандартном 24-выводном металлическом корпусе с двухрядным вертикальным расположением выводов и прозрачной для УФ-облучения крышкой. Для программирования микросхем серии К573 рекомендуется использовать импульсы длительностью (1,0±10%) мс, Напряжением 25—26 В.

Таблица 3

Параметры микросхем ЛЙПЗ МОП РПЗУ серии К573

Параметр

Емкость, бит

4К |

1 8К |

16К

32К

64К

Организация, бит

512X8 (1024X4)*

1024X8 (2048X4)*

2048X8

4096X8 (8192X4)*

8192X8

Напряжение питания, В, в режиме: считывания записи

+12; +5; —5 +12; +5; —5; +25

+ 12; +5 +12; +5; +25

Удельная потребляемая мощность, мВт/бит

0,3

0,15

0,08

0,04

0,02

Время хранения информации при отключении источников питания, ч, не менее

15000

10 000

Время программирования одной ячейки, мс

300

250

Время выборки, нс

900

Ток утечки на входе и выходе, нА, не более

10

Емкость вывода

„ вход-выход “, пФ, не более

10

Число циклов перепрограммирования

10

Время стирания информации, мин

30

* Возможная модификация.

Примечание. Выходные уровни микросхем согласованы с ТТЛ.

Микросхема ЛИПЗ МОП РПЗУ типа К505РР1 с УФ-стиранием, выпускаемая отечественной промышленностью [8], имеет емкость 2048 бит и организацию 256X8 бит. Прибор создан на кремниевом кристалле и выполнен в 24-выводном корпусе со стандартным расположением выводов и прозрачной кварцевой крышкой. Схема прибора изображена на рис. 16. Каждая из ячеек накопителя состоит из двух последовательно соединенных МОП-транзисторов, каждый из которых является р-канальным транзистором и выполняет: один — функцию адресного, а второй — запоминающего транзистора с плавающим затвором. В исходном состоянии все запоминающие элементы закрыты, что соответствует состоянию 1 па выходе микросхемы. Программиро-

вание осуществляется посредством селективной записи состояния логического 0. Усилители-формирователи адресных сигналов выполняют функцию согласования входов микросхемы с выходами ТТЛ и формируют прямые и инверсные значения адресных сигналов До—Д?» поступающих на схемы дешифраторов. Дешифратор строк служит для преобразования пятиразрядного кода адреса До—Л4 в выходной сигнал, поступающий на одну из 32 строк накопителя. Дешифратор столбцов преобразует трехразрядный адресный код Л5—Д7 в выходной сигнал, поступающий на один из 8 столбцов. Усилитель-формирователь сигнала UB.M (выбор микросхемы) формирует сигнал, который поступает на схему усилителя выходных сигналов и обеспечивает состояние бесконечно большого сопротивления на выходе микросхемы в режиме «Не- выбор микросхемы». Режим «Выбор микросхемы» обеспечивается подачей на вход усилителя-формирователя сигнала UB.M напряжения логической .!, режим «Невыбор микросхемы» — подачей логического 0.

На рис. 17 дешифратор строк показан условно в виде цепочки последовательно включенных транзисторов, обеспечивающих подачу напряжения Un.m на шину строки, к которой обращаются, и управляемых сигналами с усилителей-формирователей адресных сигналов. Транзисторы дешифратора столбцов подключают выбранный столбец ко входу усилителя выходных сигналов в режиме считывания, а в режиме программирования — к выходу схемы записи. В режиме считывания на адресные входы До—Д? микросхемы подается двоичный код номера выбранной ячейки в ТТЛ-уровнях, при этом напряжение £/и.п2=-Ц2 В, что исключает возможность ложной записи информации и делает режим считывания неразрушающим, так как при записи £/и.п2г=0.

Рис. 16. Структурная схема РПЗУ типа К505РР1

/ — дешифратор строк; 2 — запоминающая матрица; 3 — дешифратор столбцов;

4 — схема записи; 5— усилитель выходных сигналов; б — усилитель-формирователь сигнала выбора микросхемы

Рис. 17. Схема управления запоминающей ячейкойРис. 17. Схема управления запоминающей ячейкой

Рис. 17. Схема управления запоминающей ячейкой

Рис. 17. Схема управления запоминающей ячейкой

На основе МОП-микросхем о УФ-стиранием отечественная промышленность выпускает ряд блоков РПЗУ. В качестве примера можно привести блок типа 15УЗПП 4КХ16-3, который предназначен для работы в составе микро-ЭВМ «Электроника-60» в режимах хранения и считывания. Стирание информации производится путем УФ-облучения микросхем памяти. В блоке используется 16 микросхем типа К573РР13 или К573РР14, которые устанавливаются в специальные контактирующие устройства на печатной плате, что позволяет извлекать их для стирания и программирования. Конструктивно блок выполнен в виде одной печатной платы, на которой имеются концевые печатные контакты, позволяющие подключать блок к коммутационной панели ЭВМ.

Основные технические данные устройства

Разрядность слов, бит 16

Информационная емкость, бит 4096X16

Время выборки, мкс, не более 1

Время хранения информации, тыс. ч, не менее ...10

Число циклов перепрограммирования одного комплекта микросхем памяти, не менее 10

Напряжение питания, В+5; 4-12; —5

Габаритные размеры, мм, не более 240X135X14

Питающее напряжение +5 и +12 В подается в блок через печатные контакты на коммутационной панели ЭВМ. Напряжение —5 В подается от внешнего источника через электрический соединитель.

Так как используемые в блоке микросхемы К573РР13 и К573РР14 имеют организацию 1024X4 бит, то все они объединены в четыре группы с организацией 1024X16 бит. В зависимости от сочетания сигналов адреса одновременно будут выбраны только 4 ми-

хранения информации, высокое быстро-хранения информации, высокое быстро-Рис. 18. Структурная схема РПЗУ типа pPD458 с электрическим стиранием/ — буфер ввода-вывода; 2, 4 — дешифраторы адресных сигналов; 3 — селектор;5 — матрица ЗЭРис. 18. Структурная схема РПЗУ типа pPD458 с электрическим стиранием/ — буфер ввода-вывода; 2, 4 — дешифраторы адресных сигналов; 3 — селектор;5 — матрица ЗЭ

хранения информации, высокое быстро-

хранения информации, высокое быстро-

Рис. 18. Структурная схема РПЗУ типа pPD458 с электрическим стиранием

/ — буфер ввода-вывода; 2, 4 — дешифраторы адресных сигналов; 3 — селектор;

5 — матрица ЗЭ

Рис. 18. Структурная схема РПЗУ типа pPD458 с электрическим стиранием

/ — буфер ввода-вывода; 2, 4 — дешифраторы адресных сигналов; 3 — селектор;

5 — матрица ЗЭ

кросхемы. В режиме храпения Микросхемы серии К573 потребляют довольно большой ток (до 60 мА) от источника питания напряжением 4-12 В, поэтому для снижения потребляемой мощности напряжение 4-12 В подается только на выбранную четверку микросхем.

Установка конкретной зоны адресов блока производится с помощью специальной перемычки на плате. При этом начальный адрес зоны может принимать одно из значений: 000000, 020000, 040000, 060000, 100000, 120000, 140000 (восьмеричные числа).

Блоки 15УЗПП 8КХ16-9 и 15УЗПП 16КХ16-1, также выпускаемые серийно, отличаются от рассмотренного блока 15УЗПП 4КХ16-3 увеличенной емкостью памяти (8КХ16 и 16КХ16 бит соответственно) и наличием встроенных программаторов.

МИКРОСХЕМЫ РПЗУ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СТИРАНИЕМ

Вопросы применения ЛИПЗ МОП-схем с электрической записью

и электрическим стиранием имеют очень важное значение, поскольку эти устройства сочетают в себе положительные свойства МНОП-при- боров (малое время программирования, возможность стирания элек

трическим способом, большое число циклов перепрограммирования) и

МОП-схем (большое время действие).

В качестве типового примера рассмотрим микросхемы |xPD454h p,PD458 емкостью 2К и 8К битсоответственно, разработанные японской фирмой НЭК [17]. Микросхема pPD454 есть упрощенный вариант схемы p,PD458. В приборе pPD458 (рис. 18) матрица с организацией 64 X Х128 бит управляется схемами обрамления, в состав которых входят дешифратор столбцов, дешифратор строк и селектор. Буфер ввода-вывода служит для согласования информационных входов-выходов с ТТЛ.

На рис. 19 изображена схема матрицы-накопителя. Запоминающий элемент одного разряда состоит из

двух транзисторов, изготовленных но п-МОП-технологий: транзистор VI является транзистором выборки адреса, а транзистор V2—собственно запоминающим транзистором. Считывание запрограммированной информации производится при заземленных контактах D, С, Е и ВМ. В этом режиме на шину выборки слова подается импульс, открывающий транзистор VI; если при этом транзистор V2 открыт, то через выходной буфер потечет ток, что соответствует уровню 0 на выходах микросхемы Qo—Q?. В том случае, если транзистор V2 закрыт, выходной буфер сформирует уровень 1. В режиме стирания на управляющие затворы (шину В) подается напряжение —40 В, а на кристалл (шину В) — напряжение —5 В. При подаче на исток (шина В) +36 В производится запись 0 в ячейки матрицы. В режиме записи 1 на управляющие затворы (шина С) подается +26 В, на кристалл —2 В относительно стока, а на сток — импульс амплитудой +15 В и длительностью 40 мс, при этом производится программирование всех разрядов выбранного слова.

Микросхема типа pPD458 допускает большое число циклов перепрограммирования: в большом числе РПЗУ на этих микросхемах было выполнено свыше 10 000 циклов стирание — запись — проверка без единого отказа. В отличие от МОП ЗУ с УФ-стиранием корпус МОП- микросхем с электрическим стиранием не имеет прозрачной для облучения крышки, что делает подобные приборы менее чувствительными

Рис. 19. Схема матрицы ЗУ с электрическим стиранием инсЬолмании 28

Таблица 4

Параметры Зарубежных МОП РПЗУ

Параметр

С электрическим стиранием

С УФ-стиранием

U.PD454

P.PD458

1702

2708

2716

Организация, бит

256X8

1024X8

256X8

1024X8

2048X8

Напряжение питания, В, в режиме: записи считывания

-2; 4-26

4-5; 4-12

—48; +12;

—35 +5; —9

+2о; +5; + 12; —5 +5; +12;

-5

4-25; 4-5 4-5

Время записи, с, не более

5,5

80

120

100

100

Время выборки, мкс

0,8—1,0

0,4—1,0

0,65

0,45

0,45

Время стирания, мин, не более

0,5

0,5

20

30

30

к различным видам ионизирующего излучения и позволяет уменьшить скорость утечки заряда из плавающего затвора и тем самым увеличить средний срок хранения информации до 10 лет.

В табл. 4 приведены параметры некоторых зарубежных МОП РПЗУ. Микросхемы типа 1702, 2708 и 2716 разработаны фирмой «Интел» (США). Необходимо здесь упомянуть о новой разновидности РПЗУ с электрическим стиранием [16]. Это ЗУ создано на основе КМОП-технологии и структуры с плавающим затвором. Оно совмещает в себе достоинства быстродействующих биполярных ППЗУ и экономичных КМОП-схем. При использовании этих РПЗУ возможно программирование в системе (в отличие от биполярных ППЗУ), и при этом почти не требуется вспомогательных аппаратных средств, поскольку токи программирования достаточно малы и могут коммутироваться обычными микросхемами, расположенными на платах памяти.

ГЛАВА ЧЕТВЁРТАЯ

РЕПРОГРАММИРУЕМЫЕ ПЗУ НА ОСНОВЕ МНОП-СТРУКТУР

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МНОП ЗУ

В настоящее время РПЗУ на основе МНОП-структур (металл — нитрид — оксид — полупроводник) нашли очень широкое применение в технике хранения информации.

Основу запоминающей МНОП-ячейки [1] составляет полевой транзистор (рис. 20), у которого металлический затвор отделен от кремниевой подложки диэлектриком, состоящим из двух слоев: диоксида кремния (ЗЮг) и нитрида кремния (Si3N4). Информация, записанная в МНОП-транзистор, определяется количеством заряда, накопленного на границе двух слоев диэлектрика. В транзисторе, изготовленном на кристалле p-типа, наличие положительного заряда соответствует уровню логической 1, а отрицательного — уровню логического 0. В зависимости от количества заряда, накопленного в затворной структуре, изменяется пороговое напряжение транзистора. Под пороговым понимают такое напряжение, которое необходимо подать на затвор для включения транзистора. В транзисторе, изготовленном на кристалле p-типа, отрицательный заряд повышает, а положительный понижает пороговое напряжение. На рис. 21 изображена вольт-амперная характеристика МНОП-транзистора. В режиме считывания на затвор подается напряжение £/сч, находящееся в диа-

Рис. 20. Структура МНОП-транзистора

/ — слой диоксида кремния; 2 — затвор; 3 — слой нитрида кремния; 4 — кристалл; 5 — сток; 6 — исток

Рис. 21. Вольт-амперная характеристика МНОП-транзистора в режиме хранения единицы (/) и нуля (2)

Рис. 22. Схема занесения 1 (а) и О

(б) в МНОП-транзистор

пазоне между Ux и U0 (обычно иСч составляет 3—7 В), при этом, если в транзистор записана 1, то значение тока будет существенно больше, чем в случае хранения 0.

В отличие от ЛИПЗ МОП-транзистора в рассматриваемой структуре толщина слоя диоксида кремния не превышает 4—5 нм. Через диэлектрик такой толщины возможен прямой туннельный переход носителей, причем вероятность перехода пропорциональна напряженности электрического поля между затвором и кристаллом. Так как при считывании на затвор МНОП-транзистора с индуцированным м-каналом подается положительное напряжение иСч, то в случае хранения 0 напряженность поля между затвором и кристаллом увеличивается, что повышает вероятность туннельного перехода дырок из кристалла в затворную структуру. Поэтому в режиме опроса заряд, хотя и медленно, но уменьшается, что приводит к ограничению суммарного времени считывания и суммарного времени хранения [42].

Процесс записи информации в МНОП-транзистор в общем случае включает в себя два режима: стирание (уменьшение порогового напряжения до IF) и собственно запись (увеличение порогового напряжения до IF). В режиме стирания (занесение 1) затвор транзистора соединяется с общей шиной, а на кристалл подается импульс напряжения амплитудой плюс 30—40 В (рис. 22, а). При этом возникает электрическое поле, под действием которого дырки туннелируют из кристалла и накапливаются на границе диоксида и нитрида кремния.

В режиме записи (занесение 0) на затвор МНОП-транзистора подается положительное напряжение записи при заземленных выводах кристалла истока и стока (рис. 22,6). Электрическое поле вызывает переход электронов из кристалла и накопление отрицательного заряда на границе диэлектриков. Так как туннельный эффект носит вероятностный характер, то количество накопленного заряда пропор-

Рис. 23. Запоминающая ячейка на основе мноп- транзистора

Рис. 24. Схема матрицы МНОП РПЗУ

ционально времени записи. Время хранения информации в ЗЭ зависит от количества заряда и, следовательно, является функцией амплитуды и длительности импульсов записи. Так, в общем случае импульс записи длительностью в несколько микросекунд позволяет хранить информацию в течение нескольких недель, а импульс длительностью несколько миллисекунд — в течение нескольких месяцев и даже лет [11]. Одно и то же значение межпороговой зоны (см. рис. 21) может быть получено при различных сочетаниях амплитуды и длительности импульсов, что позволяет регулировать скорость записи путем изменения параметров управляющих импульсов. Обычно время записи для МНОП-транзистора составляет 1—5 мс при амплитуде импульсов от (+30 до +40 В, при этом межпороговая зона лежит в интервале от 10 до 12 В.

Схема запоминающей ячейки на основе МНОП-транзистора изображена на рис. 23. При подаче напряжения считывания на шину X транзистор выборки VI открывается и на запоминающий транзистор V2 подается напряжение. Состояние МНОП-транзистора определяется по значению тока, протекающего по шине У. Обычно для уменьшения размеров запоминающей ячейки функцию транзистора VI выполняет транзистор V2. Для этого в случае выбора ячейки на управляющий затвор запоминающего транзистора подается напряжение считывания, а в случае невыбора — запирающее напряжение. В настоящее время отечественной промышленностью освоено нисколько типов микросхем на основе МНОП ЗЭ.

МИКРОСХЕМЫ И БЛОКИ МНОП РПЗУ

Основном элементом МНОП РПЗУ является матрица ЗЭ (рис. 24). Входы X управляются выходными сигналами дешифратора строк, выходные шины Y подключены к дешифраторам столбцов.

Типовым примером МНОП РПЗУ являются отечественные микросхемы серии К558 [21, 38]. Серийно выпускаются микросхемы типа К558РР1 и К558РР11 со следующими параметрами:

К558РР1

К558РР11

Организация, бит

Удельная потребляемая мощность, мВт/бит,

2048X8

1024X4

не более

0,09

0,15

Время выборки адреса, мкс, не более

5

5

Время хранения информации, ч, не менее

Число циклов перепрограммирования, не ме

3000

3000

нее

10 000

10 000

Динамический ток потребления (при часто

те обращения 100 кГц), мА, не более

10

10

Микросхемы предназначены для использования в аппаратуре широкого применения при построении блоков памяти специализированных ЭВМ, устройств сбора и обработки информации, устройств автоматики и контроля. В качестве ЗЭ в этих интегральных схемах используются МНОП-транзистор с индуцированным p-каналом. Структурная схема микросхемы К558РР1 (рис. 25) принципиально ничем не отличается от схемы К558РР11. Ниже приведено назначение выводов микросхемы:

14

15,

16,

17

18

19

•

20,

21,

22

23

24

123, 4. 5... .6, 7, 8, 9, 10, 11, 12,13123, 4. 5... .6, 7, 8, 9, 10, 11, 12,13Вход адресный 4

1

2

3, 4. 5... .

6, 7, 8, 9, 10, 11, 12,13

1

2

3, 4. 5... .

6, 7, 8, 9, 10, 11, 12,13

Вход сигнала выбора микросхемы

Вход адресный соответственно 8, 7, 6

Вход-выход соответственно 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8

Источник питания +5 В

Вход сигнала соответственно стирания, разрешения, записи-считывания

Вход тактового сигнала 2

Источник питания —12 В

Вход адресный соответственно 5, 3, 1

Вход тактового сигнала 1

Вход адресный 2

Для работы микросхемы К558РР1 используются тактовые сигналы 1 и 2, сигналы разрешения, записи-считывания, стирания и два постоянных источника питания. Согласование микросхем со схемами

33333—296

33

33

Рис. 25. Структурная схема микросхемы типа К558РР1Рис. 25. Структурная схема микросхемы типа К558РР1/ — схема управления записью-считыванием; 2 — дешифратор строк; 3 — запоминающая матрица; 4 — дешифратор столбцов; 5 — селектор; 6—схема выбора микросхемы; 7 —• схема задания кода числа и выходные усилители/ — схема управления записью-считыванием; 2 — дешифратор строк; 3 — запоминающая матрица; 4 — дешифратор столбцов; 5 — селектор; 6—схема выбора микросхемы; 7 —• схема задания кода числа и выходные усилители

Рис. 25. Структурная схема микросхемы типа К558РР1

Рис. 25. Структурная схема микросхемы типа К558РР1

/ — схема управления записью-считыванием; 2 — дешифратор строк; 3 — запоминающая матрица; 4 — дешифратор столбцов; 5 — селектор; 6—схема выбора микросхемы; 7 —• схема задания кода числа и выходные усилители

/ — схема управления записью-считыванием; 2 — дешифратор строк; 3 — запоминающая матрица; 4 — дешифратор столбцов; 5 — селектор; 6—схема выбора микросхемы; 7 —• схема задания кода числа и выходные усилители

ТТЛ обеспечивается по ад* ресным входам, входу выбора микросхемы, информационным входам-выходам с использованием внешних резисторов.

Микросхема работает следующим образом. Дешифраторы строк и столбцов в соответствии с адресом на входах А®—А7 подключают каждую из 2048 ячеек запоминающей матрицы-накопителя к схемам записи или считывания через строчные и столбцовые адресные усилители; дешифратор строк управляется пятью адресными усилителями и состоит из 32 пятивходовых схем совпадения. Дешифратор столбцов управляет дешифраторными столбцовыми ключами (селектором), выбирая одновременно 8 ячеек (8 разрядов одного слова) из 64 и подключая их к схемам записи или считывания. Схема выбора микросхемы предназначена для разрешения выбора микросхемы в ре

жимах записи и считывания; логический 0 на выводе «Выбор микросхемы» означает невыбор, а логическая 1 — выбор микросхемы. Режим стирания обеспечивается сигналом логической 1 на выводе «Выбор микросхемы», запрет стирания сигналом «Выбор микросхемы» невозможен. Восемь выходных усилителей обеспечивают одновременное считывание 8 разрядов слова; выходные выводы являются одновременно информационными входами в режиме записи. Восемь усилителей входа осуществляют одновременную запись информации в 8 выбранных ячеек матриц в соответствии с кодом числа. Схема управления записью-считыванием задает режим работы ЗУ.

Микросхемы могут работать в четырех режимах: стирание, запись, считывание, хранение. В режиме стирания (занесение 1) иа выводах «Вход тактового сигнала 1», «Вход тактового сигнала 2», «Вход сигнала записи-считывания», «Входы адресные 1—8», «Вход сигнала», «Выбор микросхемы» устанавливается напряжение +5 В 34

co

6) ит1

UT2

Цбмкс

0,05-Ц5мкс

U3n

Ua

U6M

>5000 мкс

4 100 мкс

03 мкс

Ugx

>/100мкс

xzzz:

>100mkc

^ВЫХ

’t

t

t

t

t

t

t

t

Рис. 26. Временная диаграмма сигналов микросхемы К558РР1 в режиме стирания 8?(а) и записи (б)

150мкс

-г—

t

(рис. 26, а). На выводы «Вход сигнала стирания» (кристалл матрицы) и «Вход сигнала разрешения» подаются высоковольтные напряжения сигналов стирания UCt и разрешения Up амплитудой —30 В и длительностью не менее 5 мс. Сигнал разрешения должен подаваться раньше и заканчиваться позже сигнала стирания не менее чем на 100 мкс. Подача напряжения стирания на подложку матрицы эквивалентна приложению к затворам матрицы импульсного напряжения +35 В, что приводит к стиранию информации во всех ячейках.

Режим записи (занесение 0) устанавливается при подаче напряжения Uст +5 В на вывод «Вход сигнала стирания» и Up —30 В на вывод «Вход сигнала разрешения» (рис. 26,6). При этом включается схема задания кода числа ^UBX) и отключаются выходные усилители ((/вых^О). После подачи напряжения сигнала разрешения на вывод «Вход тактового сигнала 1» с задержкой 150 мкс подается напряжение предварительного заряда UTv Далее с задержкой не более 50 нс подается сигнал выбора микросхемы (/в.м=0 и сигнал адреса U&. Затем с задержкой 0,05—0,15 мкс подается импульс тактового сигнала 2 ((/Т2) длительностью 0,6 мкс, заряжающий выходные емкости дешифраторов и столбцовые шины матрицы. После этого с интервалами 0,3—0,4 мкс на вывод «Вход сигнала записи-считывания» подается сигнал записи амплитудой —30 В длительностью не менее 5 мс. Этот сигнал подается одновременно с сигналами входной информации (код числа) или с задержкой до 100 мкс. Время сохранения сигнала записи после окончания сигнала UBX составляет 0—100 мкс. Для надежной записи информации требуется, чтобы сигнал разрешения сохранялся после сигнала входной информации не менее 100 мкс. При записи в выбранную ячейку логического 0 на вывод «Вход-выход» подается напряжение сигнала соответствующее уровню логической 1. При записи логической 1 на выбранный вывод «Вход-выход» подается напряжение сигнала, соответствующее низкому уровню сигнала ТТЛ. Таким образом, сигналы входной информации при записи инверсны сигналам выходной информации при считывании.

Режим считывания устанавливается при подаче напряжения +5 В на выводы «Вход сигнала разрешения» и «Вход сигнала стирания». В этом режиме включаются выходные усилители и отключается схема задания кода числа. Тактовые сигналы 1 и 2, сигналы записи- считывания, выбор микросхемы и сигналы адреса подаются в той же последовательности, что и в режиме записи. Сигналы записи-считывания в режимах записи и считывания различаются уровнем напряжения и длительностью импульса. Считывание информации должно начинаться не раньше выборки адреса и заканчиваться не позже, чем через 10 мкс с момента подачи на вход сигнала адреса. До прихода тактового сигнала 2 на выводах микросхемы «Вход-выход» появляются ложные сигналы с амплитудой до 4-5 В, поэтому в режиме 36

считывания необходимо стробировать выходные сигналы микросхемы. При переходе к следующему адресу вся временная диаграмма повторяется. При запрете обращения к микросхеме на вывод «Вход сигнала выбора микросхемы» подается напряжение 4-5 В.

Некоторые рекомендации по использованию в блоках памяти микросхем серии К558 и согласованию их со схемами ТТЛ:

перед первым считыванием информации после режимов записи п стирания необходимо произвести дополнительное считывание информации по всем адресам;

число объединенных выводов «вход-выход» не должно превышать 16;

для согласования микросхем по адресным входам и входу «Выбор микросхемы» необходимо подключить резистор сопротивлением 1 кОм между соответствующим входом микросхемы и шиной +5 В, а управление сигналом производить через микросхему ТТЛ с открытым коллектором, подключенную к точке соединения резистора и микросхемы серии К558;

для согласования микросхем по информационным входам-выходам необходимо разделить входную и выходную информацию;

согласование микросхем по входам сигналов записи-считывания (только при записи), тактовых сигналов, сигнала разрешения и сти-_ рания производится таким образом, чтобы высокий уровень сигналов ТТЛ соответствовал напряжению +5 В, а низкий — напряжению —30 В на входе микросхемы.

Дальнейшим расширением данной серии будет освоение микросхем памяти емкостью 16К и 64К бит с улучшенными характеристиками (время выборки адреса, хранения информации, число циклов считывания) и упрощение использования микросхем в блоках памяти.

Микросхема К1601РР1, выпускаемая отечественной промышленностью, представляет собой МНОП РПЗУ информационной емкостью 4К (организация 1КХ4 бит) [27]. Особенностью микросхемы является возможность как полного стирания информации во всех ячейках матрицы, так и частичного (избирательного) стирания только в одной строке накопителя, содержащей 16 четырехразрядных слов.

По уровням входных и выходных сигналов микросхема согласуется с микросхемами ТТЛ-серий (рис. 27). Накопитель представляет собой квадратную матрицу из МНОП-транзисторов, имеющих организацию 64X64 бит. Четыре группы по 16 столбцов образуют четыре разряда БИС. На входы микросхемы поступают адресные сигналы Xi—Хб и У1—У4, а также управляющие сигналы. Формирователи адреса накопителя обеспечивают согласование ЗУ по уровням входных сигналов с микросхемами ТТЛ-логики и усиливают сигналы адреса для управления дешифраторами. Дешифраторы столбцов обеспечивают произвольную выборку ячеек ЗУ в режиме

Рис. 27. Структурная схема микросхемы типа К1601РР1

/ —- дешифратор строк; 2 — коммутатор режимов строк; 3 — запоминающая матрица; 4 — дешифратор столбцов; 5 — мультиплексор; б — усилители записи;

7 — усилитель-формирователь разрешения считывания; 8 — усилитель считывания; 9 — выходной усилитель-формирователь; 10 — усилитель-формирователь разрешения стирания; 11 — схема управления коммутатором режимов строк; /2 — усилитель-формирователь сигнала выбора микросхемы; /3 — усилитель- формирователь сигнала записи-считывания

записи, считывания и произвольную выборку строки в режиме «Избирательное стирание». Формирователи команд управления предназначены для управления режимами работы ЗУ. Для передачи напряжений на затворы запоминающих МНОП-транзисторов в различных режимах работы микросхемы используется коммутатор режимов строк. Схема управления коммутатором режимов строк обеспечивает формирование напряжений в режимах общего и избирательного стирания, записи и считывания информации. С дешифратора столбцов напряжение поступает на мультиплексор, обеспечивающий работу запоминающих МНОП-транзисторов в режимах общего и избирательного стирания, а также передачу информационного сигнала в режимах считывания и записи. Для считывания информации с вы- 38

хода накопителя предусмотрены усилители считывания, обеспечивающие передачу считанной информации в виде логических МОП- уровней.

Выходные усилители-формирователи обеспечивают преобразование информации, поступающей с усилителей считывания в виде логических уровней МОП-логики, в выходные напряжения ТТЛ. В режиме записи информации те же выводы микросхемы, которые служат для считывания информации, используются для передачи записываемой в схему информации в виде четырехразрядного слова. Цифровой код через усилители записи и мультиплексор поступает на выбранные столбцы накопителя для записи в соответствующие ячейки памяти.

ведены ниже:Информационная емкость, бит 4КЧисло разрядов в информационном слове ....4Максимальная потребляемая мощность, мВт.. .80Время выборки адреса, мкс, не более 1,5Время хранения информации в режиме непрерывного считывания,ч,неменее 250Число циклов перепрограммирования информации, не менее 10000Максимальная длительность импульсов записи и стирания, мс ЮАмплитудаимпульсовзаписи и стирания, В, не более .40Напряжение питания в режиме считывания, В ... —124:5%ведены ниже:Информационная емкость, бит 4КЧисло разрядов в информационном слове ....4Максимальная потребляемая мощность, мВт.. .80Время выборки адреса, мкс, не более 1,5Время хранения информации в режиме непрерывного считывания,ч,неменее 250Число циклов перепрограммирования информации, не менее 10000Максимальная длительность импульсов записи и стирания, мс ЮАмплитудаимпульсовзаписи и стирания, В, не более .40Напряжение питания в режиме считывания, В ... —124:5%Основные электрические параметры микросхемы К1601РР1 при

ведены ниже:

Информационная емкость, бит 4К

Число разрядов в информационном слове ....4

Максимальная потребляемая мощность, мВт.. .80

Время выборки адреса, мкс, не более 1,5

Время хранения информации в режиме непрерывного считывания,ч,неменее 250

Число циклов перепрограммирования информации, не менее 10000

Максимальная длительность импульсов записи и стирания, мс Ю

Амплитудаимпульсовзаписи и стирания, В, не более .40

Напряжение питания в режиме считывания, В ... —124:5%

ведены ниже:

Информационная емкость, бит 4К

Число разрядов в информационном слове ....4

Максимальная потребляемая мощность, мВт.. .80

Время выборки адреса, мкс, не более 1,5

Время хранения информации в режиме непрерывного считывания,ч,неменее 250

Число циклов перепрограммирования информации, не менее 10000

Максимальная длительность импульсов записи и стирания, мс Ю

Амплитудаимпульсовзаписи и стирания, В, не более .40

Напряжение питания в режиме считывания, В ... —124:5%

+5±5%

Перепрограммирование накопителя осуществляется электрическими импульсами, подаваемыми на входы «Запись-считывание» и «Стирание». В микросхеме предусмотрено 5 режимов работы: общее стирание, избирательное стирание, запись, считывание, хранение. Работа микросхемы в указанных режимах осуществляется в соответствии с временными диаграммами на рис. 28. В режиме общего стирания информация одновременно стирается во всех ячейках накопителя при подаче импульса отрицательной полярности на вывод «Стирание». В режиме «Избирательное стирание» осуществляется стирание информации в выбранной строке накопителя, содержащей 16 четырехразрядных слов, в соответствии с кодом, подаваемым на адресные входы Xi—Хб. Информация в невыбранных строках накопителя не изменяется. Использование команды «Выбор микросхемы» и выходных информационных шин с тремя состояниями позволяет упростить процесс наращивания информационной емкости блоков памяти, а также снизить потребляемую мощность. При отсутствии команды «Выбор микросхемы» блокируются режимы «Запись-считывание» и «Избирательное стирание» (блокировка режима «Стирание» не производится).

Рис. 28. Временная диаграмма сигналов микросхемы К1601РР1 ^р.сч— сигнал разрешения считывания; ^Вх-вых—сигнал входа-выхода

Примером серийно выпускаемых отечественной промышленностью блоков РПЗУ на основе МНОП БИС является блок 15УЗПП 4КХ Х16-4. Блок предназначен для работы в составе микро-ЭВМ «Электроника-60» в качестве РПЗУ с электрической сменой информации, а также для работы в автономном режиме — для записи, считывания и долговременного . хранения программ и данных и оперативной их смены. Блок является пассивным устройством и работает под управлением центрального процессора микро-ЭВМ.

Основные технические данные блока

Информационная емкость, бит 4096X16

Время считывания, мкс, не более 5,5

Время хранения информации, ч, не менее ...2000

Число циклов перепрограммирования, не менее ..10 000

Габаритные размеры блока, мм 240X280X14

Устройство организовано из 16 пар микросхем типа К558РР1, поэтому для получения 16-разрядного слова производится одновременное обращение к двум микросхемам, каждая из которых имеет организацию 256X8. Конструктивно блок представляет собой двустороннюю плату печатного монтажа, на которой размещены микросхемы памяти, управляющей логики, формирователи сигналов нужной амплитуды и длительности и встроенный узел программирования (программатор).

Блок работает в четырех режимах: стирания, записи, считывания, хранения. Операции записи обязательно должна предшествовать операции стирания, т. е. запись должна производиться только в предварительно стертые ячейки. При этом операция стирания адресуется к 1К адресов, а операция записи —к одному адресу. Стирание происходит по группам адресов емкостью в 1К, причем в каждой группе по 4 микросхемы памяти. Для стирания и записи к блоку необходимо подключить источник питания напряжением —30 В. При переходе к считыванию после каждой операции записи или стирания необходимо производить однократное считывание по всем адресам блока (для приведения потенциалов внутренних узлов микросхем памяти в исходное состояние) без использования записанной информации. После стирания информации при обращении к данному адресу в режиме считывания на выходе блока появляется информационное слово вида 177777. Предварительная установка конкретной зоны адресов блока производится с помощью перемычки на плате.

Блок очень удобен в обращении, поскольку он содержит встроенный программатор. В режиме программирования блок работает под

Таблица 5

Микросхемы МНОГУ РПЗУ, выпускаемые в СУПА

Тип схемы

Емкость памяти, бит

Название фирмы

NCR1105

1024(254X4)

Дженерал Инструмент

NC7010

1024 (512X2)

Нитрон

NCM7040

256

То же

ER1400

1400(100X14)

Дженерал Инструмент

NCR3400

4096(1024X4)

То же

NCR2805

8192 (2048X4)

9999

60000

2048

Вестингауз

6008

8192

То же

7006

16000

SR2256

256 (64X4)

Сперри

(радиаци-

онно-

стой ая)

управлением центрального процессора в соответствии с алгоритмом, который приведен на рис. 43 в гл. 6.

В табл. 5 приведена номенклатура микросхем, выпускаемых в США [24].

Несмотря на недостаточное быстродействие МНОП ЗУ находят широкое применение, особенно на этапе отладки микро-ЭВМ, так как возможна оперативная замена всей программы или ее части.

Основные достоинства МНОП ЗУ:

стирание и запись информации электрическим способом;

возможность как полного, так и селективного стирания содержимого;

высокая плотность упаковки информации;

низкая потребляемая мощность;

устойчивость к сильным электромагнитным полям.

ГЛАВА ПЯТАЯ

РЕПРОГРАММИРУЕМЫЕ ПЗУ

НА ОСНОВЕ АМОРФНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

ФИЗИЧЕСКАЯ ОСНОВА ПРИБОРОВ НА АМОРФНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ

Все рассмотренные выше ПЗУ с электрическим перепрограммированием основаны на сохранении заряда в диэлектрике. В противоположность им аморфные РПЗУ основаны на обратимых изменениях физической структуры материала, и поэтому они являются более перспективными приборами [23].

Одним из уникальных свойств аморфных полупроводников является пороговое переключение. Этим свойством обладает целый ряд халькогенидных стекол. Пороговое переключение связано с наличием у материала вольт-амперной характеристики S-образного типа (рис. 29,а). В выключенном состоянии (в слабых электрических полях) электрическое сопротивление материала велико. В полях напряженностью более 10 000 В/см ток с ростом напряжения начинает экспоненциально увеличиваться, т. е. проводимость материала значительно возрастает. Высокая проводимость удерживается при уменьшении напряжения до некоторого значения (порогового), которое не зависит от толщины пленки и лежит в интервале от 0,5 до 1,5 В.

В результате переключения в материале образуются нитевидные каналы (проводящие токовые «шнуры»). Проводимость во включен- 42

Рис. 29. Вольт-амперная характеристика тонкой пленки халькогенидного стекла без примеси (а) и с примесью мышьяка или сурьмы (б)Рис. 29. Вольт-амперная характеристика тонкой пленки халькогенидного стекла без примеси (а) и с примесью мышьяка или сурьмы (б)Рис. 30. Схема запоминающей ячейки с диодной развязкой на основе халькогенидного полупроводникаРис. 30. Схема запоминающей ячейки с диодной развязкой на основе халькогенидного полупроводника

Рис. 29. Вольт-амперная характеристика тонкой пленки халькогенидного стекла без примеси (а) и с примесью мышьяка или сурьмы (б)

Рис. 29. Вольт-амперная характеристика тонкой пленки халькогенидного стекла без примеси (а) и с примесью мышьяка или сурьмы (б)

Рис. 30. Схема запоминающей ячейки с диодной развязкой на основе халькогенидного полупроводника

Рис. 30. Схема запоминающей ячейки с диодной развязкой на основе халькогенидного полупроводника

ном состоянии не зависит от полярности приложенного напряжения. Процесс переключения происходит достаточно быстро — примерно за 100 нс. Время переключения экспоненциально уменьшается с увеличением разности приложенного напряжения и толщины пленки и может изменяться на 2—3 порядка. Параметры процесса переключения зависят от состава материала: установлено, что при добавлении в халькогенидное стекло незначительного количества примеси, например мышьяка или сурьмы, вольт-амперная характеристика может приобрести 8-образную форму (рис, 29,6). Перевод из одного состояния в другое производится электрическими импульсами с определенными параметрами. После переключения в то или иное состояние аморфный полупроводник может находиться в нем сколь угодно долго, до тех пор пока на него не подадут импульс тока, который переведет его в другое состояние.

Для считывания информации из ячейки РПЗУ. построенной на основе аморфного полупроводника (рис. 30), на шину X подается импульс напряжения, амплитуда которого меньше порогового значения. Ток через выходную шину У будет значительно больше в случае хранения 1, чем в случае хранения 0.

Различают два режима занесения инфор- маци в ячейку: стирание (занесение 0) и запись (занесение 1).

Модель механизма переключения в аморфных материалах, обладающих свойством фиксации проводимости, строят на основе рентгено- и электрографического анализа, исследований

методами ядерного магнитного резонанса, а также данных о переносе теплоты и зарядов [2].

Для переключения в состояние с низкой проводимостью (запись 0) через элемент пропускается короткий импульс тока длительностью несколько микросекунд с амплитудой, в несколько раз превышающей ток записи 1; при этом проводящий «шнур» разрушается и материал переходит в стеклообразное состояние. Явление переключения в проводящее состояние (запись 1) является разновидностью электрического пробоя. В результате пробоя возникает проводимость, для поддержания которой необходимо напряжение. В процессе пробоя в проводящих нитях происходит быстрое перераспределение положительных и отрицательных ионов, в результате чего образуется канал из поликристаллического материала с высокой проводимостью. После пробоя вероятность перемещения ионов и электронов возрастает, так как разрываются многие из ковалентных связей, обеспечивающих стабильную локализацию атомов.

Приведенное объяснение механизма переключения аморфного полупроводника в проводящее состояние не является единственным. Так, например, в работе [4] процесс переключения объясняется следующим образом. Для перевода элемента в проводящее состояние необходимо подать на него напряжение, достаточное для возникновения электрического пробоя. После пробоя для формирования проводящего кристаллического «шнура» необходимо пропустить импульс тока с амплитудой и длительностью, обеспечивающими достаточный местный разогрев для кристаллизации стекла из расплавленного состояния. Согласно работе [44] образование токового «шнура» происходит в результате неустойчивости тока, приводящей к его локализации. На этой стадии происходит перераспределение как тока по сечению возникающего канала, так и напряжения вдоль канала. Поскольку сопротивление халькогенидных стеклообразных полупроводников сильно зависит от температуры, на характер протекающих процессов значительное влияние оказывает теплота, выделяющаяся в канал. Под действием тепла и электрического поля в области канала происходит направленная кристаллизация. Кристаллическая нить, соединяющая электроды, обеспечивает сохранение состояния с высокой проводимостью при отключении питания.

Для устойчивого повторения цикла запись — стирание важно соотношение энергии и длительности переключающих импульсов: чем большая часть материала переходит в кристаллическое состояние, тем больше энергии потребуется для перехода в аморфное состояние.

МИКРОСХЕМЫ И БЛОКИ ПАМЯТИ

Прибор памяти на аморфных полупроводниках представляет собой интегральную матрицу запоминающих элементов (рис. 31), объ- 44

Рис. 31. Запоминающая матрица с диодной развязкой на основе аморфных полупроводниковРис. 31. Запоминающая матрица с диодной развязкой на основе аморфных полупроводников

Рис. 31. Запоминающая матрица с диодной развязкой на основе аморфных полупроводников

Рис. 31. Запоминающая матрица с диодной развязкой на основе аморфных полупроводников

единенных системой координатных шин. Каждый ЗЭ представляет собой пленку из аморфного материала, последовательно с которой включен развязывающий диод, сформированный на кремниевой подложке. Диод служит для устранения влияния не- выбранных шин при адресации ячеек.

Для проведения считывания необходимо пропустить через ячейку ток и измерить падение напряжения на ней. Низкое значение напряжения соответствует логической 1, высокое — логическому 0. Сопротивление аморф-

ных полупроводников, находящихся в одном состоянии, значительно различается. Практически для выходных сигналов с матрицы 16X16 отношение напряжений 1 и 0 не превышает 1,5—2. Это затрудняет дискриминацию сигналов в накопителе и предъявляет жесткие требования к точности и стабильности порога срабатывания усилителей считывания. Для уменьшения неопределенности принимают меры по стабилизации тока опроса. Быстродействие прибора при операции считывания определяется емкостью шин матрицы и временем накопления заряда изолирующего диода. Для уменьшения времени считывания шину X необходимо питать от источника с низким выходным сопротивлением, поскольку ее емкость велика. Шину К, имеющую малую емкость, следует возбуждать от источника стабилизированного тока, чтобы предотвратить протекание избыточного тока через ячейку. При выполнении этих условий можно получить время выборки в матрице около 60 нс. Полное время выборки РПЗУ будет несколько больше за счет задержки сигналов в схемах дешифратора и формирователей. Время выборки зависит также от технологии изготовления матрицы [1] и может быть снижено за счет применения КНС-технологии, которая позволяет снизить паразитную емкость шин и диодов. Другой путь сокращения времени выборки заключается в снижении порога чувствительности выходного усилителя, по при этом возрастает влияние помех.

Рис. 32. Схема управления матрицей К524РП1Рис. 32. Схема управления матрицей К524РП1/ — коммутатор выбора числовой шины; 2 — измеритель выходного напряжения; 3—генератор тока стирания; 4 — матрица К524РП1; 5 —генератор тока записи; 6 — генератор тока считывания; 7 — коммутатор выбора разрядной шины/ — коммутатор выбора числовой шины; 2 — измеритель выходного напряжения; 3—генератор тока стирания; 4 — матрица К524РП1; 5 —генератор тока записи; 6 — генератор тока считывания; 7 — коммутатор выбора разрядной шины

Рис. 32. Схема управления матрицей К524РП1

Рис. 32. Схема управления матрицей К524РП1

/ — коммутатор выбора числовой шины; 2 — измеритель выходного напряжения; 3—генератор тока стирания; 4 — матрица К524РП1; 5 —генератор тока записи; 6 — генератор тока считывания; 7 — коммутатор выбора разрядной шины

/ — коммутатор выбора числовой шины; 2 — измеритель выходного напряжения; 3—генератор тока стирания; 4 — матрица К524РП1; 5 —генератор тока записи; 6 — генератор тока считывания; 7 — коммутатор выбора разрядной шины

менно в отличие от стирания,

Запись производится подачей потенциала земли на выбранную шину X. Одновременно на все оставшиеся шины X подается напряжение 4-25 В, благодаря чему ячейки изолируются друг от друга. В то же время на выбранную шину У работает источник со стабильным выходным током 5 мА и исходным напряжением 4-25 В; это обеспечивает переход ячейки в состояние 1, однако возбуж-

дающее напряжение не должно превышать 4-25 В, иначе наступит пробой изолирующих диодов. Так как токи записи сравнительно малы, то все разряды слова могут быть запрограммированы одновре- выполняют поразрядно. Опе

рация стирания аналогична, за исключением того что ток увеличивают до 100 мА, а длительность импульса уменьшают до 5 мкс.

Примером отечественной разработки РПЗУ на аморфных полупроводниках является интегральная матрица типа К524РП1 (рис. 32), имеющая следующие параметры [3]:

Информационная емкость,бит 256

Выходное напряжение логического0,В2,5

Выходное напряжение логической1,В 3,5

Время записи, мсЮ—20

Напряжение записи, В 22

Ток записи, мА3—7

Время стирания, мкс3—10

Напряжение стирания, В20—30

Ток стирания, мА70—100

Время считывания, нс, неменее 210

Напряжение считывания,В 5

Максимальная допустимая частота перепрограммирования, Гц 5

Число циклов перезаписи,неменее 100

Время хранения информации при отключении питания, ч, не менее 10000

Основные параметры некоторых зарубежных образцов аморфных РПЗУ приведены в табл. 6 и 7.

Таблица 6

Электрические параметры запоминающей микросхемы типа RM-256 фирмы „Борроугс" (США)

Режим

Напряжение, В

Ток, мА

Длительность импульса, мкс

Запись

25

5

10 000

Стирание

^25

100

5

Считывание

<5

2,5

0,2

Таблица 7

Основные параметры некоторых микросхем на основе аморфных полупроводников, выпускаемых в США

Параметр

HR М2048* „Борро- угс*

RM-256 „Борро- угс“

G 7010 „Нитрон*

Информационная емкость, бит

1024

256

256

Время выборки, нс

400

100

200

Напряжение записи, В

12

25

25

Ток стирания, мА

5

100

60

Число выводов

24

32

32

* Есть схема управления.

В работе [32] рассмотрен способ построения блока РПЗУ с транзисторной развязкой на основе матрицы, содержащей 256 ячеек (табл. 8).

Известно, что аморфныеТаблица 8

РПЗУ нашли применение в

мультиплексоре,связываю-Параметры блока РПЗ

5Fна основе аморфных полупроводников

щем удаленные терминалы сс транзисторной развязкой

Г32Т Фипмя ЕСП

(США) использует матрицы RM-256 для хранения микро-

Ток, мА

Напряжение, В

Длительность импульса, мкс

программ.

Основными достоинствамиЗапись

РПЗУ на основе аморфныхСтирание

.полупроводниковявляютсяСчитывание

2 20

1

30

30

5

5000

5 0,05

низкая стоимость, высокое быстродействие (до 100 нс), значительное время хранения информации в выключенном состоянии (до 10 тыс. ч), малое число рабочих источников питания, а также рчень высокая радиационная стойкость.

Есть сообщение об исследованиях, направленных на создание РПЗУ емкостью до 16К бит на одном кристалле [32]. Разработка схем обрамления ведется на основе МОП-технологии. Проводятся также исследования с целью увеличить верхнюю границу рабочих температур аморфных переключателей, а также снизить напряжения записи до 10—15 В и токи стирания до 5—15 мА. Имеются также данные о разработках интегральной схемы емкостью 4096 бит с встроенной схемой обрамления, временем выборки 250 нс и потребляемой мощностью 5 мВт—в режиме хранения и 200 мВт—в режиме считывания.

По поводу перспективности аморфных РПЗУ у специалистов нет единого мнения. Хотя разработка РПЗУ на основе аморфных полупроводников достигла определенных успехов, такие ЗУ пока не нашли широкого распространения. Это объясняется рядом причин, одна из которых—недостаточная изученность процессов, происходящих в аморфных полупроводниках, и связанная с этим трудная воспроизводимость характеристик. Кроме того, запоминающие матрицы на аморфных полупроводниках несовместимы по уровню выходных сигналов со стандартными ТТЛ-элементами. Близость уровней 0 и 1 на выходе матрицы требует применения специального усилителя считывания. Существенным недостатком аморфной памяти является также большая зависимость характеристик ЗЭ от температуры.

ГЛАВА ШЕСТАЯ

ПРОГРАММИРОВАНИЕ ЭППЗУ

ПРОГРАММИРОВАНИЕ БИС

Программирование ЭППЗУ включает в себя формирование адресов, записывающих импульсов и, как правило, контроль записанной информации. Объектом программирования могут быть отдельная БИС, группа БИС, программируемых одновременно, блок памяти, состоящий из некоторого числа БИС.

В зависимости от экономической целесообразности программирование ЭППЗУ может быть автоматизировано в самой различной степени и осуществляться на установках большей или меньшей сложности.

Программаторы ЭППЗУ классифицируют по следующим признакам [46]:

степени универсальности по отношению к различным типам БИС ЭППЗУ;

48

производительности—числу одновременно программируемых БИС;

способу управления процессом программирования; по этому признаку различают программаторы ручные, полуавтоматические и автоматические;

функциональной законченности; различают программаторы автономные и работающие под управлением мини- или микро-ЭВМ, не входящей в состав программатора;

конструктивному выполнению; программатор может быть выполнен в виде отдельного прибора, программирующей платы, входящей в состав ЭВМ, либо программирующего узла на плате памяти.

Простейший программатор ручного типа содержит тумблеры для набора адреса и данных, формирователи адресного кода, сигналов управления и записи. Такой прибор очень прост в работе, может быть изготовлен в любой лаборатории, но его производительность чрезвычайно низка, поэтому он пригоден для обработки БИС малой информационной емкости, притом небольшими партиями. Процесс программирования при этом медленный, ненадежный, утомительный для оператора. В более сложных программаторах ручного типа возможна индикация адреса и данных в двоичном, десятичном либо шестнадцатеричном коде, а также контроль содержимого ЭППЗУ.

В полуавтоматических программаторах ввод адреса и данных осуществляется также вручную. Однако после установки начального адреса последующее его наращивание производится добавлением единицы в счетчике адреса. Чаще адреса и данные последовательно, с помощью ключей вводят в ОЗУ программатора, затем после пошаговой проверки производят перезапись содержимого ОЗУ в ЭППЗУ. Этот тип программаторов значительно облегчает запись, исключает ошибки оператора, позволяет изменять исходную информацию и контролировать записанную. Однако производительность остается низкой. Область применения полуавтоматических программаторов ограничена исследовательскими и учебными лабораториями.

В автоматических программаторах запись, чтение и контроль записанной информации осуществляются автоматически под управлением программы. Современные автоматические программаторы предоставляют пользователю чрезвычайно широкие возможности, а именно:

копировать данные с эталонной БИС;

вести запись в ЭППЗУ с перфоленты, перфокарт, магнитных дисков и др.;

вести запись в ЭППЗУ из ОЗУ, где данные были подготовлены ранее тем или иным образом;

отлаживать рабочую программу программатора;

готовить данные в ОЗУ (набирать, редактировать, корректировать); автоматически контролировать записанные данные путем сравнения их с исходными;

выявлять неисправные БИС до начала программирования.

Рис. 33. Алгоритм программирования ППЗУ

Процесс программирования в общих чертах можно пояснить с помощью рис. 33 [10]. В программируемую память необходимо подавать коды адреса, данных и управляющие сигналы. Параметры этих сигналов (амплитуда, длительность, форма, относительные задержки) зависят от типа памяти. Для ряда типов памяти длительность записи регулируют по критерию фактической записи символа. Поэтому в приведенной схеме алгоритма предусмотрена повторная операция записи, счет числа повторений, контроль числа повторений и индикация ошибки (если после предельного допустимого числа операций записи в одну и ту же ячейку ее состояние не измелилось, то микросхема считается неисправной). При программировании отдельных БИС и блоков МНОП

РПЗУ подобные повторы обычно не производят, а ограничиваются сравнением входного и записанного массивов данных после завершения программирования БИС (блока) и снятия программирующих напряжений. В случае несоответствия массивов делают попытку повторной записи.

Программатор, выполненный по принципу копирования эталонного ПЗУ (рис. 34), после ручной установки исходного адреса может работать в пошаговом ручном режиме либо автоматически. Для ввода адреса используют восьмеричную, десятеричную или шестнадцатеричную клавиатуры. В простейшем случае для набора двоичного кода адреса достаточно иметь набор тумблеров, но работа с двоичной клавиатурой утомительна и сопровождается большим числом ошибок.

При машинном управлении программатором (рис. 35) ЭВМ задает темп записи, выдает адреса и данные, причем в ходе работы машина выполняет необходимую перекодировку адреса и данных. Функциональная клавиатура позволяет вести работу в автономном режиме и совместно с ЭВМ.

Программаторы, как правило, создаются универсальными, для обработки различных типов ЭППЗУ. Для согласования прибора с конкретными типами ЭППЗУ в комплект программаторов включают наборы индивидуальных согласующих модулей (сменные модули, переходные модули и др.). В некоторых новейших программаторах согласующие модули отсутствуют, а обслуживание электрических цепей задается про-

Рис. 34. Структурная схема программатора ППЗУ для копирования эталонного ПЗУ

Рис. 35. Структурная схема программатора, управляемого ЭВМ

граммой. Такие программаторы пригодны для обслуживания не только существующих, но и будущих типов БИС.

Важной особенностью современных программаторов является развитое программное обеспечение, которое, по существу, управляет работой оператора в тех случаях, когда необходимо участие оператора. При этом на экране дается подробное описание каждой команды и воспроизводится полное руководство по использованию программатора. Сообщения оператору выдаются не в кодах, а обычным текстом. Все это облегчает работу оператора, исключает ошибки, упрощает освоение процесса программирования. Естественно, подобное программное обеспечение требует значительных затрат и вопрос о его разработке или приобретении должен решаться с учетом экономической целесообразности. Такие универсальные программаторы с полным комплектом программного обеспечения могут быстро окупить себя в условиях массового производства микропроцессорных систем с широкой номенклатурой ЭП ПЗУ, но вряд ли оправданны в исследовательской лаборатории, где более уместными окажутся блоки программаторов с необходимым интерфейсом, способные работать под управлением универсальных ЭВМ.

Надо заметить, что большинство программаторов предназначено для БИС ППЗУ, где в отличие от РПЗУ любая ошибка программирования ведет к непоправимому ущербу, поэтому большое внимание уделяется выбору режимов работы, исключающих ошибки оператора. Наиболее распространенный режим программирования ППЗУ—копирование эталонных БИС. Другой, не менее распространенный режим—занесение информации с перфоленты. На ленте указывают код начала данных, код конца всей процедуры. Данные разделены на поля в соответствии с вы- 52

ХоДнЫми словами. Каждому выходному слову предшествует код начала поля, а за словом следует код окончания поля.

В качестве примера универсального автономного программатора ЭППЗУ можно назвать отечественный прибор типа 815 [34]. Прибор автоматически формирует программирующие импульсы, коды адреса и данных. Согласующие блоки обеспечивают формирование амплитудновременной диаграммы этих импульсов, необходимой для программирования конкретных типов БИС. Ввод информации в ОЗУ прибора может быть выполнен как вручную с передней панели, так и автоматически с перфоленты или от внешней ЭВМ. Перед началом программирования возможна проверка и корректировка информации в ОЗУ. В процессе программирования данные из ОЗУ прибора переписываются в программируемую микросхему. Предусмотрен также режим копирования информации с эталонного ПЗУ.

В приборе автоматизировано выполнение всех основных операций: предварительный контроль «на пустоту», запись в ЭППЗУ, контроль записи, стирание информации в РПЗУ.

Основные характеристики прибора

Максимальная емкость ЭППЗУ, бит . 2048x8

Максимальная амплитуда напряжения программирующих импульсов, В,±60

Максимальная амплитуда тока программирующих им- импульсов, А $... 0,8

Потребляемая мощность, В-А300

Габаритные размеры, мм .,., 480X200X550

Масса, кг 22

Другой пример программатора—прибор ПР-75 [35] (рис. 36). Он не является функционально законченным программатором, работает под управлением микропроцессорной системы или универсальной ЭВМ. Прибор ПР-75 позволяет заносить информацию в ППЗУ с пережиганием перемычек на микросхемах типа К556РТ4, К556РТ5 и в РПЗУ со стиранием УФ-лучами на микросхемах типа К573РФ1,К573РФ11,

К573РФ12, К573РФ13, К573РФ14. Одновременно программируется только одна БИС. Буферная память статического типа емкостью 1024X8 бит выполнена на микросхемах К565РУ2А. Дешифратор команд выполнен на ППЗУ. Схема управления программированием обеспечивает необходимую последовательность подачи сигналов. Прибор соединен с управляющей ЭВМ с помощью канала, содержащего линии управления, адреса, данных, имеет встроенный источник питания.

Для управления прибором ПР-75 используются следующие команды: NA(0)F(0)—чтение буферной памяти по линиям R1—R6 и наращивание счетчика адреса;

NA(0)F(16)—запись в буферную память по линиям ^1—W8 и наращивание счетчика адреса;

Рис. 36. Структурная схема программатора ПР-75

NA(O)F(1)—чтение счетчика адреса по линиям R1—R10;

NA(0)F(11) -v2--\-C—сброс счетчика адреса;

NA(0)F(17)—запись в счетчике по линиям W1—W10;

NA(1)F(O)—чтение ЭППЗУ по линиям R1—R10 и наращивание счетчика адреса;

NA(0)F(25)—сброс счетчика адреса по линии S1 и начало программирования по линии S2;

NA(0)F(27)—проверка готовности прибора: Q—1, если готов.

Исходная информация заносится в буферную память программатора от ЭВМ или вручную. Перед началом программирования эта информация проверяется с терминала ЭВМ вручную или автоматически под управлением программы и, если необходимо, корректируется. Далее по команде NA(0)F(25) начинается программирование в автономном режиме, во время которого все команды канала запрещены. Про< цесс программирования индицируется светодиодом «Запись». После окончания программирования записанная информация может быть прочитана для проверки.

Прибор представляет собой конструктивно законченный блок. На его передней панели установлены контактирующие устройства (панельки) для программируемых микросхем, кнопки выбора микросхемы и светодиодный индикатор режима работы.

Программатор ПР-78 [34] представляет собой встраиваемый в ЭВМ. блок, который включает в себя только те узлы схемы, которые не зависят от конкретных типов ЭППЗУ. Программатор может быть укомплектован необходимым числом согласующих плат, которые содержат схемы управления и источники программирования для конкретных типов программируемых БИС, т. е. он может быть использован для программирования не только выпускаемых сейчас, но и будущих микросхем.

Блок ПР-78 (рис. 37) содержит дешифратор команд канала, 8-разрядный регистр данных, 16-разрядный счетчик адреса и триггер запроса блока. Через разъем на согласующую плату передаются сле-

Рис. 37. Структурная схема программатора ПР-78

дующие сигналы: адрес 16 бит (ADR) со счетчика адреса; данные 8 бит (DO) с регистра данных; стробы S1 и S2; команды канала блока; напряжение питания канала; 8 младших разрядов данных канала (DW).

С согласующей платы через разъем поступают: данные на чтение (DR) 8 бит; сигнал блокировки команд на время программирования (PROG); сигнал сброса счетчика адреса (CLRA); сигнал наращивания счетчика адреса (INCA); сигнал установки триггера запроса (IL).

Команды, передаваемые по каналу для управления программатором ПР-78:

NA(0)F(0) — чтение буферной памяти по линиям R1—R8 и наращивание счетчика адреса;

NA(0)F(16)—запись в буферную память по линиям W1—W8 и наращивание счетчика адреса; сам блок буферной памяти не содержит, но она может быть размещена на согласующей плате, если это необходимо для программирования данного типа БИС;

NA(O)F(1) — чтение счетчика адреса по линиям R1-—R16;

NA(O)F(11)+Z+C — сброс счетчика адреса;

NA(0)F(17)— запись в счетчик адреса по линиям W1—^16;

NA(2)F(16) — запись в регистр данных по линиям W1—W8;

NA(1)F(O)—чтение ЭППЗУ по линиям R1—R8;

NA(0)F(25)— начало цикла программирования;

NA(0)F(16)—чтение номера модуля по линиям R9—R16;

NA (0)F(10) Л-Z-vC — сброс запроса L;

NA(0)F(27)—проверка готовности блока: Q=l, если готов;

Pl, Р2, РЗ— резервные команды.

Поскольку дешифратор команд блока ПР-78 выполнен на ППЗУ К556РТ6, то возможно введение дополнительных команд путем допро- граммирования дешифратора. Эти команды могут потребоваться при усложнении процедуры программирования новых микросхем.

В работе [13] сообщается о разработке программатора МНОП РПЗУ. Этот прибор (рис. 38) позволяет работать вручную или под управлением системы на основе микропроцессора К580ИК80. Основу программатора составляют МНОП РПЗУ и ОЗУ статического типа. Для контроля записываемой информации прибор имеет блоки индикации шины данных и шины адреса.

Данный прибор является частью комплекса для проектирования микропроцессорных систем. В нем помимо обычных режимов программатора предусмотрены такие режимы, как работа в качестве программной памяти микропроцессорной системы, передача информации во внешнее по отношению к программатору РПЗУ, отладка программ, контроль за работой микропроцессора микропроцессорной системы. Запись информации в РПЗУ возможна вручную непосредственно либо через ОЗУ. При непосредственной записи, если необходимо отредактировать содержимое хотя бы одной ячейки, приходится стирать весь массив, поэтому работа через ОЗУ предпочтительнее. Информация, поступаю*

Микропроцессорная система

Рис. 38. Структурная схема программатора МНОП РПЗУ

щая на шину данных, отображается на индикаторе шины данных в восьмеричном или десятичном коде, по выбору оператора. Запись информации возможна либо выборочно по любому адресу, либо последовательно начиная с заданного адреса. Шина адреса 16-разрядная. Код начального адреса заносится оператором.

Встроенный блок отладки программ позволяет пошаговое прохождение программ при подключении микропроцессорой системы. Пошаговая отладка программ может выполняться с любого, наперед заданного адреса, так как предусмотрен режим останова программы на определенном шаге. Адрес останова предварительно заносится в память программатора. При совпадении этого адреса с текущим адресом программатор вырабатывает команду «Стоп» и переводит микропро-

Рис. 39. Функциональная схема программатора ППЗУ

сл Dl, D2 — К155АГ1; D&-D6 — К155ЛН1; D7—D9 — К155ЛИ1; DIO, D11 — К155ЛАЗ; Dl2, D13 — К155ИЕ2; D14 — К155ИЕ5; D15, D16 — К155ТМ7; D17—D19 — К155ЛА8; D20, D21 — К155ИР1; VI. V2 — КТ203А; V3, V7. V8 — КТ315В: V4. V6 — КТ608Б: V5 — КТ815Б; VS-V/б —КТ342А

цессор в цикловый режим прохождения команд. При каждом останове происходит индикация адреса и состояния шины данных.

В режиме отладки программы можно контролировать содержание любой ячейки памяти. При обнаружении ошибки весь массив (256 ячеек) памяти, в котором обнаружена ошибка, переписывается из РПЗУ в ОЗУ. После устранения ошибки массив заново переписывается в РПЗУ.

Основные характеристики программатора МНОП РПЗУ

Емкость памяти ОЗУ, РПЗУ, байт 4К, 4 К

Время записи в ОЗУ, РПЗУ, мкс .... 0,5—1, (Юч-20) • 103

Время считывания ОЗУ, РПЗУ, мкс ... .0,5—1; 1,2—1,5

Габариты прибора, мм 480X480X240

На рис. 39 приведена функциональная схема программатора микросхем К556РТ4 и К556РТ5, который позволяет вести программирование вручную или от ЭВМ [40]. Как уже отмечалось выше, процесс пережигания перемычек в ППЗУ не является достаточно изученным и точно воспроизводимым. Режимы программирования выбираются опытным путем; они обычно основаны на неоднократных попытках пережигания перемычек с проверками результата, причем пережигание ведут пачками импульсов. Так, в данном приборе каждый бит программируется несколькими сериями импульсов. Первая серия (нормальный режим): 1000—4000 импульсов длительностью от 25 до 100 мкс каждый. После этой серии производится контроль правильности записанной информации. Если информация не записалась в какие-либо ячейки, то подается 100 импульсов длительностью по 10— 15 мкс (форсированный режим). Если информация не записалась и на этот раз, то микросхема забраковывается. Если информация записалась в первом или втором режиме, то необходимо подать дополнительную серию из 40—100 импульсов соответствующей длительности. Если после воздействия этой дополнительной серии импульсов обнаружится потеря информации, то программирование данного слова повторяется. Если повторное программирование не приведет к цели, то микросхема должна быть забракована.

Программатор содержит следующие основные узлы: генератор импульсов ф1, D2, VI» V2) с электрически регулируемой длительностью и скважностью; счетчик (D/2—D14); регистр данных и регистр адреса ф15, D16); триггеры состояний фЮ.4, Dll); сдвиговый регистр ф20, D21); выходные формирователи импульсов программирования ф7.1, D3.2, D3.3, D10.1, D10.2, D4.2, V3—V8); схема коммутации выходов при программировании ф5, D6t D8, D9, V9—V16) и схема считывания записанной в ППЗУ информации ф10,3, D3.4, D4.1, D4.3, D4.4, D15, DIG, D18, D19).

До программирования в ППЗУ К556РТ4 содержатся все нули, а в К556РТ5 —все единицы. Перед началом программирования по- 60

дается команда NA (О') F (9) или CZ, по которой происходит общий сброс и установка регистров D20, D21 в состояние «10 000 000». Затем по команде NA(0)F(16) производится запись адреса программируемого слова в регистр РА и самого слова в РД. Далее подается команда NA(0)F(25), начинающая программирование данного слова. Наличие 1 в регистре РД указывает на необходимость программирования данного разряда.

При совпадении выхода Q регистра РД с единицей сдвигового регистра запускается первая серия импульсов, по окончании которой информация в сдвиговом регистре сдвигается на один разряд. Если единица сдвигового регистра совпадает с выходом Q, то происходит сдвиг без запуска программирующих импульсов. Импульсы с генератора поступают на формирователи пережигающих импульсов. Интегрирующая цепочка R8C10 укорачивает генерируемые импульсы, в результате чего транзистор V3 закрывается несколько раньше, чем V8 и на эмиттере транзистора V5 устанавливается напряжение U^ = 4-5 В. После закрытия транзистора V8 напряжение на эмиттере транзистора V5 повышается до (7i=+12,5 В.

На срезе импульса генератора открывается транзистор V3, a V7 продолжает быть закрытым на время, определяемое цепочкой R5C3. В результате напряжение на эмиттере транзистора V5 становится равным нулю, в то время как напряжение на эмиттере транзистора V6 отлично от нуля до открытия транзистора V7. Собственная задержка ключа V6 составляет приблизительно 200 нс. Цепочка R6C5 сокращает это время до 50 нс, и через 50 нс после установления на эмиттере транзистора V6 напряжения Ui на нем устанавливается напряжение Г7з= + 15 В. Конденсаторы С4, С6—С8 задают длительности фронта программирующих импульсов.

По окончании первой серии импульсов в ЭВМ поступает запрос, после чего ЭВМ по команде NA(0)F(16) перезаписывает адрес в РА и запускает одновибратор D10.3, D3.4 с длительностью импульса примерно 3 мкс. Этот импульс закрывает ключи V3, V9—V16, в результате чего подается напряжение питания ППЗУ +5 В. Через 1,5 мкс, что определяется задержкой R7C9, происходит запись информации из ППЗУ в буферный регистр D15, D16. Далее подается команда NA(0)F(10) и информация считывается из буфера в ЭВМ.

В случае несовпадения считанной и записанной информации по команде NA(0)F(16) в РД записываются единицы, соответствующие незапрограммированным разрядам, и командой NA(1)F(25) запускается форсированная серия импульсов. В этом случае транзисторы VI, V2 закрыты, а длительность и скважность генерируемых импульсов определяются цепочками (R1+R3) С1 и (R2-VR4)C2. Длительность и скважность программирующих импульсов задается микросхемой D16. После окончания форсированной серии блок выдает запрос LAM. ЭВМ считывает информацию, и, если запись правильна, подается

команда NA(2)F(25), запускающая контрольную серию импульсов.

Процесс программирования ППЗУ иногда дополняют ^лектротер- мотренировкой с последующей проверкой и допрограммированием. Однако сведений о положительном влиянии этой процедура на надежностные характеристики ППЗУ не имеется. /

Из освоенных отечественной промышленностью программаторов можно назвать прибор «Электроника П5-ЗП ППЗУ» [47]. Он предназначен для программирования блоков ППЗУ типа «Электроника П5-ППЗУ» (эти блоки, выполненные на основе МНОП-микросхем К558РЕ11, используются совместно с микро-ЭВМ семейства «Электроника С5»).

Прибор обеспечивает стирание, запись, считывание и контроль информации в блоке ППЗУ. Он производит построчное стирание информации из блока по 256 адресам, индикацию состояния адресного и информационного регистров, запись информации по произвольному адресу или группе произвольных адресов, считывание по произвольному адресу, ввод информации в блок «Электроника П5-ППЗУ» через фотосчитыватель FS-1501 (с остановом в случае ошибки и индикцией состояния адресного и информационного регистров), сверку информации, хранимой в блоке ППЗУ, с информацией на перфоленте (с остановом в случае ошибки и индикацией состояния адресного и информационного регистров). Режим работы прибора: ручной ввод с клавиатуры или автоматический — с FS-1501; напряжение питания 220 В (50 Гц); габариты 500X400X270 мм; масса 10 кг.

Рассмотрим несколько примеров зарубежных программаторов ЭППЗУ [7, 37].

Прибор типа 501 фирмы «Технитрол» (США) является автономным универсальным программатором ППЗУ. Он содержит основной блок, состоящий из 8-битного микропроцессора, пульта с клавиатурой и индикацией и набора сменных блоков сопряжения. Прибор позволяет копировать данные с эталонной БИС, вносить изменения в копируемые данные, проверять записанную информацию, производить пошаговое чтение. Одновременно программируется только одна микросхема.

Программатор ППЗУ фирмы Р&Е (США) является универсальным прибором. Он содержит блок программатора и набор сменных переходных модулей. Прибор может работать в автоматическом режиме под управлением внешней ЭВМ и в ручном режиме от клавиатуры той же ЭВМ. Он удобен при малых сериях программируемых схем, в лабораторных условиях.

В качестве приставки к ЭВМ выполнен также прибор Z800 фирмы «Зилог» (США). Он является универсальным программатором РПЗУ МОП-типа, содержит непосредственно блок программирования с клавиатурой и индикацией, интерфейс и программное обеспечение, может работать в комплекте с ЭВМ или с системой проектирования 62

микропроцессорных систем. Прибор Z800 рассчитан на обслуживание 11 типов\ БИС, при этом комплект переходных модулей заменен про- граммой-р^зводкой сигналов, благодаря чему прибор будет полезен и для будущих типов БИС. Этот прибор обеспечивает автоматическое копирование^ с эталонной БИС, при этом возможно ограничение области копирования, внесение изменений в копируемые данные. В ручном режиме возможно пословное программирование с клавиатуры с отображением адреса и данных, пошаговый просмотр выходных данных.

Наиболее полно удовлетворяет современным требованиям программатор на основе микропроцессора 8080 фирмы «Интел» (США) [36]. Прибор позволяет программировать одновременно 8 БИС. Он содержит в своем составе программирующее устройство, вычислительную систему на основе микропроцессора 8080, видеотерминал и укомплектован необходимым программным обеспечением. Согласующие (переходные) модули не требуются, разновидность электрического сопряжения с микросхемами различных типов реализуется программным путем. Участие оператора в процессе программирования обеспечивается режимом диалога, при этом оператор может прочитать на экране все, что ему необходимо знать о ходе процесса. Он имеет подробное описание каждой команды, сообщения об ошибках, причем информация выдается не в кодах, а текстом. По существу, на экране воспроизводится полное руководство по использованию программатора. Прибор позволяет вести редактирование данных. Загрузка исходного массива осуществляется с дисков.

В развитии программаторов можно отметить следующие закономерности: 1) степень автоматизации программирования постоянно повышается, поскольку растет емкость программной памяти и повышаются требования к надежности процесса программирования; 2) программное обеспечение все более развивается в направлении удобства, наглядности и полноты оперативной информации о ходе процесса; 3) все больше функций управления процессом переносится на универсальные мини- и микро-ЭВМ, что объясняется накоплением в научных и производственных учреждениях средств вычислительной техники и опыта ее использования; в результате этого программаторы упрощаются, приобретая вид конструктивно законченных блоков-приставок, сопрягаемых с универсальными ЭВМ, либо встраиваемых в ЭВМ плат, либо резидентных узлов программирования, располагаемых непосредственно на платах-модулях РПЗУ; последняя разновидность программаторов сводит к минимуму состав оборудования, необходимого для программирования, так как достаточно иметь лишь стандартный источник питания для создания напряжения программирования.

ПРОГРАММИРОВАНИЕ БЛОКОВ РПЗУ

Программатор, входящий в состав модуля РПЗУ, должен обеспечивать программирование модуля в составе ЭВМ, в которой далее он может быть использован как постоянное ЗУ. Для этого он должен принимать команды и данные от ЭВМ, формировать электрические сигналы, необходимые при записи и стирании, с /требуемой амплитудой, длительностью и фазой, а также вырабатывать ответные сигналы синхронизации для выполнения операций обмена с ЭВМ.

Первая задача, которую необходимо при этом решить, — согласование быстродействия ЭВМ с более низким быстродействием модуля памяти в процессе перепрограммирования. Она может быть решена разными способами: с помощью так называемой флаговой логики [45], прерывания от таймера, внутренних прерываний по ошибке обращения к каналу, программного счетчика.

Сущность первого способа (рис. 40) состоит в том, что процессор, прежде чем выдать команду на программирование следующего адреса, должен проверить состояние флага (флаг находится во взведенном состоянии, пока не закончится запись текущего слова). Обращение к флагу можно выполнить с использованием системных шин адреса и данных. При этом адрес флага должен объединять все ад

Рис. 40. Структурная схема встроенного программатора с использованием флаговой логики

64

Рис. 41. Алгоритм записи с использованием флаговой логики

реса программируемого блока; например, если блоку емкостью 4КХ16 бит присвоен младший адрес 16-разрядного поля адресации, то дешифратор адреса флага должен срабатывать на комбинацию ООО трех старших разрядов адреса, т. е. на любой адрес этого блока. Схема алгоритма управления записи в РПЗУ с помощью флаговой логики приведена на рис. 41. Для контроля правильности работы блока использован программный счетчик контрольного времени Т, которое должно превышать длительность взведенного состояния флага.

5—296 65

Способ управления записью в РИЗУ по таймеру (рис. 4$ оправдывает себя в том случае, когда ЭВМ содержит в своем составе программируемый таймер.

Следующий способ управления записью использует, процедуру внутренних прерываний по ошибке обращения к каналу./Обычно программные циклы ввода или вывода в ЭВМ длятся ограниченное время. Если по истечении этого времени (например, 10 мкс в ЭВМ «Электроника-60») процессор не получает от адресата ответного сигнала синхронизации, то это воспринимается как ошибка обращения к каналу. Содержимое счетчика команд и регистра состояния процессора загружаются в стек, и начинается обработка прерывания с некоторого фиксированного для данной ЭВМ адреса.

Для реализации данного способа логика управления записью при попытке обращения к блоку должна блокировать выдачу ответного сигнала на все время программирования текущего адреса. В алгоритме этого способа управления (рис. 43) контроль работоспособности блока ведется по максимальному времени блокировки ответного сигнала. Обработка прерывания заключается в восстановлении стека (смещенного при возникновении прерывания), проверке счетчика контрольного времени и наращивании этого счетчика.

Рис. 42. Алгоритм записи с помощью таймера 66

Рис. 43. Алгоритм записи с использованием прерываний по ошибке обращения к каналу

Вариант алгоритма записи, основанный на использовании программного счетчика (рис. 44), представляется наиболее простым.

Все рассмотренные алгоритмы не включают проверку записи массива. Эту проверку целесообразно вести по завершении программирования всего блока, после снятия программирующих напряжений. Один из возможных алгоритмов сравнения исходного (в ОЗУ) и конечного (в РИЗУ) массивов приведен на рис. 45.

Рис. 44. Алгоритм записи с использованием программного счетчика временного интервалаРис. 44. Алгоритм записи с использованием программного счетчика временного интервала

Рис. 44. Алгоритм записи с использованием программного счетчика временного интервала

Рис. 44. Алгоритм записи с использованием программного счетчика временного интервала

Рис. 45. Алгоритм проверки записи массива

СТИРАНИЕ ИНФОРМАЦИИ УФ-ОБЛУЧЕНИЕМ

Как отмечалось в гл. 3, в одной из двух разновидностей РПЗУ на основе МОП-структур с плавающим затвором стирание производится УФ-облучением. Чтобы стереть информацию, необходимо со всех плавающих затворов удалить заряд. Для этого микросхему облучают УФ-лучами (можно также рентгеновскими), в результате чего возникает фототок от затвора к кремниевой подложке и затвор разряжается. Для свободного прохождения излучения к поверхности кристалла в крышке корпуса делается окно, закрытое прозрачным для используемого излучения материалом, обычно кварцевым стеклом.

При стирании используют УФ-излучение интенсивностью 5— 10 мВт/см2 с длиной волны не более 400 нм или рентгеновское дозой примерно 13 Кл/кг (5-Ю4 Р); поток излучения направляют перпендикулярно плоскости окна в корпусе микросхемы. Выводы микросхем в процессе стирания необходимо закорачивать для защиты микросхем от пробоя. Время стирания зависит от характеристик излучения и составляет 10—60 мин. Стирание рекомендуется производить циклами по 10—15 мин с последующими проверками. Критерием того, что стирание окончено, является соответствие уровней всех разрядов при считывании по всем адресам уровню логической 1. Об уровне интенсивности излучения можно косвенно судить по степени разогрева корпуса микросхемы. Температура корпуса не должна превышать 60— 70 °C.

Для стирания могут быть использованы отечественные УФ-лампы типа ДРТ-220, ДРБ-8, ДБ-30, ДБ-60. Промышленные установки [43] позволяют стирать одновременно 30—100 микросхем. Микросхемы загружают на металлическую конструкцию, защищающую их от электрических зарядов. Доза УФ-облучения регулируется настраиваемым таймером в пределах 60 мин. Оператор защищен от УФ-излучения дверью с блокировкой, а от озона— специальными оболочками УФ- ламп.

ГЛАВА СЕДЬМАЯ

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ ЭППЗУ

По мнению отечественных и зарубежных специалистов, значение всевозможных видов памяти в создании средств вычислительной техники и кибернетических систем все более возрастает. Так, по мнению

У. О. Гальярди [12], в ближайшем будущем «архитектура вычислительных систем скорее всего будет представлена в виде подсистемы памяти, которая будет рассматриваться как центральная (и основная) подсистема, и других подсистем, таких, как вычислительная, подсистема связи и подсистема подключения физических устройств, которые будут рассматриваться как периферийные (и подчиненные) подсистемы». Как отмечает Л. П. Крайзмер [18], основная часть физического объема и стоимости (70—90%) современных ЭВМ приходится на блоки памяти, составляющие целую иерархию ЗУ различной емкости и быстродействия.

В ЭВМ все более широко будут применяться ПЗУ для хранения «твердых» программ операционных систем. Без быстрого прогресса в разработке и применении различных видов постоянной памяти не могут быть созданы по-настоящему надежные, компактные и экономичные вычислительные средства, способные управлять гибкими автоматизированными производствами и интегрированными производственными комплексами будущего.

Разнообразие требований, предъявляемых к БИС ЭППЗУ, и все возрастающий интерес к этим приборам обусловили разработку элементов и схем, отличающихся большим разнообразием физических принципов, технологии изготовления и технических характеристик. Это ставит разработчиков систем при поиске оптимальных технических решений в трудные условия. Поэтому необходимо коснуться вопросов применения тех или иных разновидностей ЭППЗУ с учетом перспективы их развития.

Применение ЭППЗУ является экономически выгодным в экспериментальных и мелкосерийных изделиях. В крупносерийных изделиях их заменяют более дешевыми и компактными масочными ПЗУ.

Однократно программируемые ПЗУ являлись в 70-е годы наиболее популярными. Если сравнивать два известных типа ППЗУ: на принципе пережигания нихромовых перемычек и пробоя перехода в полупроводнике, то надо иметь в виду, что процесс пережигания остается сложным и не всегда обеспечивает требуемую надежность, поскольку частички металла, попадая на соседние участки, могут вызвать короткое замыкание или паразитные утечки, а также явиться причиной скрытых дефектов, которые проявляются в процессе эксплуатации.

Из репрограммируемых ПЗУ наиболее популярными являются приборы с плавающим затвором и нитридные ЗУ. Их можно сопоставить, рассмотрев в табл. 9 [39]. При этом надо иметь в виду быструю эволюцию параметров, что видно из сравнения [29] двух моделей БИС фирмы «Интел» (США», отстоящих по году выпуска всего на 5 лет:

Таблица 9

Основные Достоинства й недостатки ЛЙПЗ МОП и^МНОП РПЗУ

Тип РПЗУ

Достоинства

Недостатки

мной

Большое допустимое число циклов перепрограммирования (106—106)

Электрическое стирание

Ограниченное время хранения информации (в выключенном состоянии не более 2— 10 тыс. ч, в режиме непрерывного считывания — 200— 500 ч)

Высокие амплитуда и длительность импульсов перепрограммирования (25—35 В, 5 — 100 мс), ограниченнное время считывания (0,4—1,0 мкс)

липз МОП

Повышенное быстродействие (до 0,1 мкс)

Большая информационная емкость (до 65—128 К бит)

Длительное время хранения информации в выключенном и включенном состоянии (до 10 лет)

Ограниченное число циклов перепрограммирования(10—

100)

Применение УФ-излучения при стирании

БИС 1702 (1972 г.)

БИС 2716 (1977 г.)

Организация, бит . .

256X8

2048X8

Рабочие напряжения питания, В Дополнительные напряжения пита

+5, —9

+5

ния при записи. В .

Удельная потребляемая мощность,

+ 12, —35, —48

+25

мВт/бит .......

0,4

0,04

Время записи, с, не более . . . .

120

100

Время записи одного слова, с . •

0,4

0,05

Время считывания, мкс

0,65

0,45

Время стирания УФ-лучами, мин Уровни сигналов на шинах адре

10—20

10—30

са и данных, В .

Уровни сигналов на входе управ

0—48

ТТЛ

ления программированием, В .

0—48

ТТЛ

Технология

р-МОП

п-МОП

Модель 1977 года обладает существенно улучшенным набором па-

раметров. Еще через год появились подобные БИС с применением КМОП-технологии, позволяющей сразу на порядок снизить энергопотребление [31]. Это микросхема IM6603/4 фирмы «Интерсил» (США). Она имеет организацию 1КХ4 или 512X8 бит, потребляет на частоте 1 МГц всего 10 мВт и использует только один номинал питающего напряжения: -(-5 В (можно 4—11 В).

Для иллюстрации хода развития и освоения ЭПЙЗУ приводим данные о динамике и структуре потребления (в миллионах долларов) различных видов ПЗУ в США [41]:

1979 г. 1980 г. 1981 г.

1982 г. 1985 г.

(прогноз)

ПЗУ масочные.,.130,3230309

ПЗУ с пережиганием пе

ремычек ....138,8288245

РПЗУ с электрическим стиранием16,43787

РПЗУ с УФ-стиранием230,6264200

401,5807

277,5499

141,0333

240,0470

Из этих данных видно, что закупки микросхем с электрическим стиранием возрастают примерно вдвое каждый год при сравнительно стабильном потреблении других видов ПЗУ. Это можно объяснить эксплуатационными достоинствами, важными для экспериментальных систем:

Типовые пара

Принцип записи информации

Технология

Способ стирания

Допустимое число циклов программирования

Время хранения информации в выключенном состоянии, в режиме считывания

Создание электрического заряда в двухслойном диэлектрике МНОП-структуры

мноп

Электрический

10»— 10е

2—10 тыс. ч, 200—500 ч

Инжекция электрического заряда в область плавающего затвора МОП-структуры

ЛИПЗ МОП

УФ-облу- чением

10—103

До 10 лет, 10 тыс, ч

ЛИПЗ МОП

Электрический

ЛИПЗКМОП

УФ-облу- чением

Изменение проводимости стеклообразного материала

Технология аморфных материалов

Электрический

103—10?

10 тыс. ч,

10 тыс. ч

Пережигание перемычек

ттлш, эсл

—

1

Практически неограниченное

Электрический пробой перехода в полупровод- ике

ттлш

простотой программирования блоков памяти в составе систем, возможностью дистанционной смены содержания, практически неограниченным числом циклов перезаписи, а также достаточным для большинства экспериментальных задач временем хранения информации (3—10 тыс. ч).

Развитие РПЗУ обоих типов ведет в конечном итоге к получению схем, обладающих достоинствами как первого, так и второго [39].

В технике МНОП РПЗУ переход на новые материалы и технологические процессы (n-канальные и КНС-приборы) позволит решить проблемы быстродействия и высокой информационной емкости. Использование более сложных систем (оксид с изменяемой шириной запрещенной зоны, легированная граница раздела диэлектриков, АЬОз вместо SisN4 и др.) позволит уменьшить амплитуду и длительность импульсов программирования, а переход на более толстый оксид в системе SiO2—Si3N4 — реализовать однополярные импульсы записи-стирания и увеличить время хранения в режиме непрерывного считывания.

Таблица 10 метры ЭППЗУ

Время считывания, мкс

Время записи одного слова, мс

Время стирания

Удельная потребляемая мощность, мВт/бит

Рабочее напряжение, В

Напряжение записи В

2

10

5 мс

0,05

+5; -12

-30

0,45

5

10—30 мин

0,04

4-5

+25 ■

0,4—1,0

0,1

30 с

0,02

4-5; 4-12

-2; 4-26

0,5

5

10—30 мин

0,002

4-5

+25

0,4

0,01

20—200 мс на 1 разряд слов

0,02

4-5

20—30

0,07

50—100 на

1 разряд слова

—

0,08

4-5

4-12

0,02

1—2

0,17

—

В технике структур е плавающим затвором новые сочетания известных механизмов переноса носителей и технологические усовершенствования уже сейчас позволяют получить схемы с электрическим стиранием с числом циклов перезаписи до 104—105 и амплитудой сигналов перепрограммирования 15—20 В.

Несмотря на быстрое развитие РПЗУ, основанных на сохранении электрического заряда, более перспективными, на наш взгляд, надо считать приборы, основанные на обратимых измерениях физической структуры, поскольку устойчивость структуры по отношению к широкому спектру физических воздействий выше устойчивости заряда. Одна разновидность приборов этого класса, основанная на фазовых переходах в аморфных полупроводниковых материалах, несмотря на большую перспективность в отношении быстродействия и скорости программирования, не доведена до необходимого технического уровня. Это можно объяснить низкими уровнями выходных сигналов и трудностями их сопряжения с логикой обрамления БИС, а также недостаточной изученностью теплофизических и электрических процессов при фазовых переходах и рядом чисто технологических трудностей. Другая разновидность РПЗУ с изменяемой структурой, так называемые бистабильные переключатели [29], еще находится в стадии научных исследований. Работа этого прибора в общих чертах заключается в следующем: если на кремний, легированный золотом, нанести омический и запорный металлические электроды, то после электрической формовки образуется диодная структура с 8-образной вольт-амперной характеристикой. Под действием высокой температуры и электрического поля в межэлектродном пространстве образуется проводящая (металлоподобная) перемычка шириной несколько микрометров. Для устранения ее необходимо пропустить импульс тока достаточной амплитуды в обратном направлении. Такой прибор по электрическим параметрам во многом напоминает ПЗУ с пережигаемыми перемычками, но отличается от него возможностью многократной перезаписи. Можно надеяться, что после решения совокупности научных и технических проблем - (изучение физических свойств материала и построение модели функционирования, технология, конструкция) будет создан новый вид устройств памяти с практически неограниченным временем хранения информации, высоким быстродействием и возможностью многократной смены информации электрическим путем.

Для удобства сравнительного анализа в табл. 10 сведены типовые параметры ЭППЗУ, достигнутые в конце 70-х годов,

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Авах Ю. А. Односторонние запоминающие устройства. — М.: Энергия, 1981. — 191 с.

Адлер Д. Теория и свойства аморфных полупроводниковых материалов.— Электроника, 1970, № 20, с. 10—23.

Аналоговые и цифровые интегральные схемы / Под ред. С. В. Якубовского.— М.: Сов. радио, 1979.— 335 с.

Андреев В. П. Исследование принципов построения ППЗУ с электрической перезаписью информации на основе элементов памяти из аморфных полупроводников / Автореф. дисс. на соиск. учен, степ. канд. техн. наук. — Рязань, 1976. — 26 с. (Рязанский радиотехнический институт).

Беккер Я. М. Общие тенденции в развитии' техники хранения информации. — В кн.: Конструирование и производство запоминающих устройств. Материалы краткосрочного семинара. Под ред. Я. М. Беккера.— Л.: ЛДНТП, 1982, с. 5—8.

Березенко А. И., Корягин А. П., Назарьян А. Р. Микропроцессорные комплекты повышенного быстродействия. — М.: Радио и связь, 1981. — 167 с.

Бринтон Дж. Универсальный программатор ППЗУ. — Электроника, 1981, № 9, с. 88—89.

Букреев Е. В., Портнягин М. А. Полупроводниковые перепро’ граммируемые ПЗУ серии К573. — В кн.: Развитие теории и техники средств хранения информации. — Москва —Рига: НТОРЭС, 1980, с. 37—39.

Быстродействующее КМОП ЭСППЗУ емкостью 32 К, предназначенное для замены биполярных ППЗУ / С. Гроссман Р. Зиман/ Т. Чжан, Д. Хо. — Электроника, 1984, № 4, с. 23—32.

Вайда Ф., Чакань А. Микро-ЭВМ: Пер. с венгр. — М.: Энергия, 1980. — 360 с.

Вайет Р. Е. Запоминающие устройства на МНОП-транзисто- рах, сохраняющие информацию при отключении питания. — Электроника, 1971, № 14, с. 35—39.

Гальярди У. О. Тенденции развития архитектуры вычислительных систем.—ТИИЭР, 1975, т. 63, № 6, с. 31—36.

Гладков А. М., Нагаец Н. В., Тесленко В. А. Программатор для микропроцессорных наборов. — Приборы и системы управления, 1981, № 7, с. 23—26.

Гуральник А. К., Мелик-Оганджанян П. Б. Устройства памяти современных и перспективных ЦВМ. — М.: Сов. радио, 1976.— 344 с.

Заколдаев А. А. Быстродействие БИС ППЗУ. — В кн.: Конструирование и производство запоминающих устройств. Материалы краткосрочного семинара. Под ред. Я. М. Беккера. — Л.: ЛДНТП, 1982, с. 20—24.

Иверсен У. Р. ППЗУ на основе аморфного кремния. — Электроника, 1984, № 7, с. 12—13.

Келли Д. В., Миллет Д. Ф. ПЗУ с электрическим стиранием информации, выполняемое без применения МНОП-структур. — Электроника, 1976, № 25, с. 43—48.

Крайзмер Л. П. Техническая мнемология: проблематика, состояние, перспективы. — В кн.: Запоминающие устройства, Под ред. Л. П. Крайзмера. — Л.: Энергия, 1980, с. 5—14.

Логические матрицы, программируемые в условиях эксплуатации.— Электроника, 1975, № 6, с. 89—90.

Марино Д., Сирота Д. Постоянные запоминающие устройства и их применение. — Электроника, 1970, № 6, с. 31—36.

Микросхемы энергонезависимых ППЗУ с электрической сменой информации К558РЕ1, К558РЕ11.— М.: ЦНИИ «Электроника», 1978. —29 с.

Некоторые механизмы программирования элементов ППЗУ на основе тонких пленок / Ю. И. Щетинин, 3. А. Штейград, Е. Н. Иванов, В. Б. Быстрова. — В кн.: Микроэлектроника и полупроводниковые приборы. Под ред. А. А. Васенкова и Я. Л. Федотова. — М.: Радио и связь, 1981, вып. 6, с. 121—132.

Нил Р. Г., Нелсон Д. Л., Мур Г. Е. Постоянные ЗУ с электрической перезаписью, сохраняющие информацию при отключении питания. — Электроника, 1970, № 20, с. 4—9.

Нитрид кремния в электронике / Под ред. А. В. Ржанова. — Новосибирск: Наука, 1982. — 288 с.

Опыт программирования микросхем ППЗУ ЭСЛ- и ТТЛ-типа/ Ю. И. Щетинин, А. Б. Акинфиев, В. И. Миронцев и др. — В кн.: Полупроводниковые интегральные схемы памяти. Схемотехника и технология. — М.: МИЭТ, 1979, с. 27—38.

Основы построения технических средств ЕС ЭВМ на интегральных микросхемах/ Под ред. Б. Н. Файзулаева. — М.: Радио и связь, 1981.-288 с.

Особенности проектирования ИС ППЗУ с электрическим стиранием и записью информации на МНОП-структурах / Л. В. Карпов- ская, В. П. Сидоренко, В. П. Чекалкин, Ю. А. Юхименко. — В кн.: Запоминающие устройства. — Киев.: Ин-т кибернетики АН УССР 1980, с. 11—23.

Особенности схемотехнических решений ППЗУ типа К155РЕЗ / Ю. И. Щетинин, В. А. Неклюдов, П. С. Приходько, В. В. Воробьева.— В кн.: Полупроводниковые интегральные схемы памяти. Схемотехника и технология.—М.: МИЭТ, 1978, вып. 40, с. 13—27.

Панфилов А. Б. Электрические характеристики бистабильного переключателя на кремнии и перспективы его использования в качестве элемента РПЗУ.— В кн.: Развитие теории и техники средств хранения информации. —Москва—Рига: НТОРЭС, 1980, с. 117— 120.

Первое ППЗУ емкостью 16 384 бит со стиранием информации УФ-светом / Р. Грин, Г. Перлегес, П. Солсбери, В. Морган.— Электроника, 1977, № 5, с. 43—48.

Первое ЭППЗУ, выполненное на КМОП-элементах. — Электроника, 1978, № 4, с. 93.

Полупроводниковые запоминающие устройства и их применение/ Под ред. А. Ю. Гордонова. — М.: Радио и связь, 1981. —344 с.

Полупроводниковые постоянные запоминающие устройства / Ю. И. Щетинин, В. А. Неклюдов, В. В. Воробьева, П. С. Приходько.— В кн.: Полупроводниковые интегральные схемы памяти. Схемотехника и технология. — М.: МИЭТ, 1977, вып. 33, с. 42—53.

Программатор ППЗУ 815. Новые радиоизмерительные приборы. — М.: ЦООНТИ «ЭКОС», 1979.— 1 с.

Программаторы программируемых постоянных запоминающих устройств/ Н. С. Бамбуров, В. Н. Говорун, Ю. Б. Ермолин и др.— Серпухов: ИФВЭ, 1982. — 11 с.

Программирующее устройство для одновременного и независимого программирования нескольких ППЗУ. — Электроника, 1981, № 16, с. 93—94.

Программирующее устройство для ППЗУ с шестнадцатеричными индикатором и клавиатурой. — Электроника, 1976, № 6, с. 82.

Сафонов В. Д., Зенцова Л. А. Параметры микросхем серии К558 и особенности их применения. — В кн.: Развитие теории и техники средств хранения информации. — Москва—Рига: НТОРЭС. 1980, с. 35-г37., .

Сидоренко В. П. Перспективы развития БИС РПЗУ на МДП-структурах. — В кн.: Развитие теории и техники средств хранения информации.— Москва— Рига: НТОРЭС, 1980, с. 34—35.

Система блоков программирования постоянных программируемых запоминающих устройств К556РТ4 и К556РТ5 / С. Г. Бобков, Ю. Б. Ермолин, В. А. Канцеров, В. Б. Стригин. — Приборы и техника эксперимента, 1983, № 2, с. 49—52.

Состояние и перспективы развития производства и рынка изделий электронной техники США. — Зарубежная электронная техника, 1982, № 4, с. 3—103.

Тимофеев А. О. Элементы и узлы электронных вычислительных машин.— Л.: ЛЭТИ, 1980.—57 с.

Ультрафиолетовая установка для группового стирания информации.-г—Электроника, 1976, № 6, с. 81—82.

Устройства памяти на основе халькогенидных стеклообразных полупроводников / А. И. Попов, Э. Н. Воронков, Н. Н. Усов и др. — В кн.: Полупроводниковые интегральные схемы памяти. Схемотехника и технология. — М.: МИЭТ, 1979, с. 113—132.

Хилбурн Дж., Джулич П. Микро-ЭВМ и микропроцессоры. — М.: Мир, 1979. — 463 с.

Цурпал А. Н., Толстых В. М. Современные устройства программирования постоянных программируемых ЗУ. — В кн.: Развитие теории и техники средств хранения информации. — Москва — Рига: НТОРЭС, 1980, с. 89—91. .

Щетинин Ю. И., Неклюдов В. А., Берников В. Б. Программируемые постоянные запоминающие устройства типа ТТЛ. — В кн.: Дальнейшее развитие техники запоминающих устройств. Под ред. Л. П. Крайзмера и Е. А. Брика.—Тбилиси: НТОРЭС, 1976, с. 172— 175.

«Электроника П5-ЗП ППЗУ». Полуавтоматическое устройство ввода информации. — Электронная промышленность, 1979, № 12,’ с. 137.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие 3

Глава первая. ЭЛЕКТРИЧЕСКИ ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ПЗУ В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ 5

Классификация .—

ЭППЗУ в ЭВМ и микропроцессорных системах ..6

Глава вторая. ОДНОКРАТНО ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ПЗУ9

Принцип действия ППЗУ—

Микросхемы и блоки ППЗУ12

Глава третья. РЕ ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ПЗУ НА ОСНОВЕ МОП-структур .20

Принцип действия лавинно-инжекционного МОП ЗУ с плавающим затвором—

Микросхемы и блоки РПЗУ с УФ-стиранием . . .23

Микросхемы РПЗУ с электрическим стиранием . .27

Глава четвертая. РЕПРОГРАММИРУЕМЫЕ ПЗУ НА ОСНОВЕ МНОП-структур30

Принцип действия МНОП ЗУ—

Микросхемы и блоки МНОПРПЗУ33

Глава пятая. РЕПРОГРАММИРУЕМЫЕ ПЗУ НА ОСНОВЕ АМОРФНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ42

Физическая основа приборов на аморфных полупроводниках —

Микросхемы и блоки памяти44

Глава шестая. ПРОГРАММИРОВАНИЕ ЭППЗУ . . . .48

Программирование БИС .—

Программирование блоков РПЗУ64

Стирание информации УФ-облучением ....69

Глава седьмая. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ ЭППЗУ69

Список литературы 75

ЮРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ КОСАРЕВ СЕРГЕЙ ВИКТОРОВИЧ ВИНОГРАДОВ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИ ИЗМЕНЯЕМЫЕ ПЗУ

Редактор С. С. Полигнотова Художественный .редактор Д. Р. Стеванович Технический редактор А. Г. Рябкина Корректор В. В. Румянцев

ИБ № 2531

Сдано в набор 28. 03. 85 Подписано в печать 01. 07. 85 М-26457 Формат 84 X Ю81/з2. Бумага типографская № 2 Гарнитура литературная. Высокая печать. Ус л. печ. л. 4,2 Ус л. кр.«отт. 4,62 Уч.-изд. л. 5,03 Тираж 25000 экз- Заказ 296. Цена 25 к.

Ленинградское отделение Энергоатомиздата 191041, Ленинград, Марсово поле, 1.

Ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени МПО «Первая Образцовая типография имени А. А. Жданова» Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли: 113054, Москва, Валовая, 28

[эа ЭНЕ РГОАТОМИЗДАТ

ЛЕНИНГРАДСКИЙ КНИЖНЫЙ МАГАЗИН «Энергия»—ОПОРНЫЙ ПУНКТ ЭНЕРГОАТОМИЗДАТА

Это значит, что здесь самый широкий ассортимент научной, учебной, производственной и справочной литературы по всем разделам энергетики.

Магазин принимает заказы на книги, намеченные к выпуску и имеющиеся в наличии.

СПЕЦИАЛИСТЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПРОФИЛЯ!

Указав адрес организации или свой домашний адрес, Вы будете систематически получать все рекламные материалы по интересующей Вас тематике и бланки для заказа книг Энергоатомиздата.

Адрес магазина «Энергия»: 196066, Ленинград, Московский пр., д. 189.

ПОЛЬЗУЙТЕСЬ УСЛУГАМИ МАГАЗИНА—ОПОРНОГО ПУНКТА ЭНЕРГОАТОМИЗДАТА!

2. ЭППЗУ В ЭВМ И МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМАХ

Постоянные ЗУ в первых ЭВМ использовались для хранения констант и стандартных подпрограмм. Эти ПЗУ были построены на магнитных сердечниках либо в виде диодных, транзисторных или резисторных матриц и др. Уже в ту пору у разработчиков и пользователей возникала потребность в оперативном изменении содержимого, ПЗУ. Эти изменения выполнялись довольно примитивными способами — перепайкой перемычек, переключением штырей и тумблеров, «перепрошивкой» магнитных сердечников и т. д.

По мере совершенствования характеристик интегральных ЗУ расширяется область применения ПЗУ в вычислительной технике. Они ста

ли использоваться при построении различных комбинационных схем

ЭВМ, блоков микропрограммного управления центральных процессоров и различных периферийных устройств, в арифметических устройствах, для хранения «жестких» программ достаточно большого размера. В состав высокопроизводительных систем третьего и последующих поколений входят ПЗУ емкостью до 106 бит с временем выборки менее 50 нс. Вместе с расширением области применения и объема выпуска ПЗУ в еще большей степени росла потребность в оперативной смене инфор- 6