Жартылай өткізгішті жадтайтын құрылғылар

Ақпаратты өшіру тәсілдеріне байланысты ҚПТЖҚ-ң екі типі бар:

– ультракүлгін өшіруі бар ҚПТЖҚ (ҚПТЖҚ-УК), оларды әдетте жәй ғана EPROM (Erasable PROM) немесе UV-EPROM (Ultra-Violet EPROM) деп атайды;

- электрлік өшіруі бар ҚПТЖҚ (ҚПТЖҚ-ЭӨ немесе EEPROM).

ҚПТЖҚ микросхемаларында ЖЭ ретінде транзисторлардың екі түрі қолданылады: «ығыстырушы» бекітпесі бар МДЖ-транзистор және МНДЖ-транзистор. «Ығыстырушы» бекітпесі бар МДЖ-транзисторлардың жұмыс принципі зарядтардың көшкінді инжекциясына (ЗКИ) негізделген, сондықтан оларды ЗКИМДЖ – транзисторлар деп те атайды.

ЗКИМДЖ-транзисторлардың екі түрі бар: EPROM типті ҚПТЖҚ-ң микросхемаларында қолданылатын бір «ығыстырушы» бекітпесі бар МДЖ-транзисторлар; қос бекітпесі («ығыстырушы» және басқарушы бекітпелері) бар МДЖ-транзисторлар. Соңғылары әмбебаптау, олардың EPROM және EEPROM микросхемаларында қолданалуы мүмкін.

Қос бекітпелі ЗКИМДЖ-транзистордың құрылымын (5.28, а-сурет) және оған ақпаратты қайта жазу тәсілін қарастыралық. Негізінде ЗКИМДЖ-транзистор – басқарушы бекітпесі бар кәдімгі nМДЖ-транзистор. Бірақ ол қосымша, жан-жағынан диэлектрик (ток өткізбейтін) қабатымен оқшауланған, қандай да бір өткізгіштік қасиеті бар (әдетте поликристаллдық

кремнийден жасалған) аумақты білдіретін, «ығыстырушы» бекітпеге ие.

  Программалау  режимінде «ығыстырушы» бекітпе  аумағына электрондар заряды  енгізіледі, ол үшін басқарушы  бекітпеге, бастауға және құймағаға  салыстырмалы түрде амплитудасы  үлкен оң кернеу импульсі беріледі, ол EPROM микросхемаларының түрлі типтері  үшін (12-26) В-ты (әдетте микросхема корпусында көрсетіледі) құрайды. Құйма-төсемі мен бастау- төсемінің p-n-өтулері кері бағытта жылжиды, оларда көшкіндік ойық (зарядтардың көшкіндік инжекциясы) пайда болады, және құйма мен бастау аумақтары электрондармен қанығады. Энергиясы, диэлектриктің потенциалды бөгетінен(барьерінен) асып өту үшін жеткілікті, электрондардың бір бөлігі «ығыстырушы» бекітпеге еніп, осы жерде олар, жоғары импульстік кернеуді алып тастағаннан кейін де, өте ұзақ уақытқа сақталып қалады. «Ығыстырушы» бекітпеге енгізілген электрондар зарядының әсерінен транзистордың шекаралық ашу кернеуі өседі. Сондықтан басқарушы бекітпедегі кернеудің жұмыс мәндері ауқымында транзисторда өткізгіш арна құрылмайды. Егер «ығыстырушы» бекітпеде электрондар заряды болмаса, онда ЗКИМДЖ-транзисторы бір басқарушы бекітпелі кілттік режимдегі қарапайым nМДЖ-транзистор сияқты жұмыс істейді.

ҚПТЖҚ-дан ақпаратты өшіру, олардың типтеріне байланысты, екі тәсілдермен: ультракүлгін сәулемен және электрлік сигналдарымен жүзеге асырылады. EPROM микросхемаларында ақпаратты өшіру ультракүлгін сәулемен жүзеге асырылады. Ол үшін шағынсұлба корпусында өшіруге арналған арнайы мөлдір (әйнек) терезе болады. Терезеге бағытталған ультракүлгін сәуле электрондар зарядтарының «ығыстырушы» бекітпені тастап шығуына мүмкіндік береді. Өшіру уақыты сәулелену көзіне дейінгі қашықтыққа, микросхема сыйымдылығына, олардың типтеріне байланысты, осыған байланысты 5-тен бірнеше ондаған минутқа дейін созылады.

Ультракүлгін сәулеленуде ақпарат тұтастай микросхемада бірден өшіріледі. Сонымен қатар, ультракүлгін сәуленің әсерінен материалдар қасиеттері біртіндеп нашарлай береді, бұл EPROM микросхемасындағы қайта программалау циклдарының санын едәуір қысқартуға әкеп соғады. Ресейлік ҚПТЖҚ-УК микросхемасындағы қайта жазу циклдарының саны 10-100-ге тең [17]. Программалағаннан кейін микросхеманың әйнек терезесі күннің және люминесценттік сәулелену әсерінен өшіруді болдырмас үшін жапсырылып тасталады.

EEPROM микросхемаларында  ақпарат электрлік тәсілмен өшіріледі. Ол үшін басқарушы бекітпелерге  төменгі деңгейлі кернеу беріледі, ал құймаға – ұзақтығы ондаған  миллисекундтан астам жоғары  кернеу (программалаудың кернеуі) импульсі (10-30 В) беріледі, бұл энергияның көп шығындалуына әкеп соғады. Электрлік өшіру шағынсұлбадағы ақпаратты тұтастай емес, таңдамалы түрде (әрбір адрес үшін жеке-жеке) өшіреді. EPROM микросхемаларына қарағанда, «өшіру-жазу» процесінің ұзақтылығы салыстырмалы түрде аз, ал қайта программалау саны бірнеше ретке артық (қайта жазу циклдары 104–106).

Сонымен қатар, арнаулы құрылғының құрамында жұмыс жасайтын EEPROM микросхемаларын, одан шығармай-ақ, қайта программалауға болады. Электрлік өшіруді қамтитын EEPROM микросхемалары кристаллда үлкен орын алады, осыған байланысты  олардың интеграция деңгейі төмен, ал бағасы EPROM микросхемаларымен салыстырғанда қымбат.

Қос бекітпелі ЗКИМДЖ-транзисторларды EEPROM ЖЭ-ң матрицаларындағы жолды таңдау және оқу тізбектеріне қосу сұлбасы    5.29-суретте көрсетілген. Программалау режимінде ЖЭ-не  0-ді жазу «ыстық» электрондар зарядын ығыстырушы бекітпеге енгізу (инжекциялау) жолымен жүзеге асырылады.  Ығыстырушы бекітпеден зарядты шығару, яғни ақпаратты өшіру ЖЭ-де логикалық 1-дің орнатылуына әкеп соғады, бұл жағдайда таңдалынған транзистор ашылады және сол арқылы оқу тізбегіне жоғары деңгейлі кернеу (логикалық 1) беріледі.

 МНДЖ-транзистордың  құрылымы мен жұмыс принципін  қарастыралық (5.28, б-сурет), оның, қарапайым  МДЖ-транзистордан айырмашылығы, металлдық  бекітпе мен жартылай өткізгіш  арасында диэлектриктің екі 

әртүрлі қабаты бар.

            

                                       а)                            б)

              

                       5.28-сурет. Қос бекітпелі ЗКИМДЖ (а) және МНДЖ (б) типті  
                                            транзисторлардың құрылымы

 

Қалыңдығы 5 нм-ден артық емес, SiO2 кремний қос тотығының алғашқы жұқа қабаты, құйма мен бастау арасындаға, кристалл төсемінің бетіне, төселеді, әрі қарай оның үстіне Si3N4 кремний нитридінің екінші қалыңырақ қабаты орналасады. Мұндай құрылымдарда диэлектрлік қабаттар арасындағы бөлімдер шекараларында электрлік зарядтың (туннельдік әсердің арқасында) жиналып қалуы мүмкін.

 

              

                    5.29-сурет. Қос қақпалы ЗКИМДЖ-транзисторды таңдау және оқу

                               тізбегіне қосылу сұлбасы

 

МНДЖ-транзистордағы сақталатын ақпаратты тасымалдағыш болып табылатын осы зарядтың өткізгіштікке әсері (немесе бастапқы кернеуге) «ығыстырушы» бекітпе зарядының әсеріне ұқсас.

МНДЖ-транзисторда ЖЭ-не ақпаратты  жазу  бекітпе астында электрлік өріс кернеулігін (кремний қос тотығының жұқа қабаты арқылы зарядты тасымалдаушылардың туннельдік өтуінің пайда болуына жеткілікті көлемде) құру жолымен жүзеге асырылады. Егер қабаттар бөлімдерінің шекарасында электрондар заряды бар болса, онда ол, арнасының өткізгіштігі n-типті, МНДЖ-транзистордың бекітпесіндегі оң кернеудің әсерін экрандайды және осылайша оның шекаралық ашу кернеуін көтереді. Мұндай жағдайда бекітпедегі кернеудің жұмысшы мәні транзисторда өткізгіш арна құра алмайды, сондықтан ол жабық (транзистор құймасындағы ток 0-ге тең) болады.

Егер қабаттар бөлімдерінің шекарасында заряд жоқ болса (немесе басқа белгіге ие болса), онда кернеудің жұмысшы мәні (5 В) транзисторды ашады. Осылайша, зарядтың болуы немесе болмауы логикалық 0 немесе логикалық 1

сигналдарын сақтау ретінде жіктеледі.

МНДЖ-транзисторлар EERPOM микросхемаларының ЖЭ-тері ретінде қолданылады, олар энергияға тәуелсіз және ақпаратты бірнеше және ондаған жылдар сақтай алады). EEPROM микросхемаларын программалау кезінде салыстырмалы жоғары кернеу, шамамен 20 В қолданылады.  Жоғары кернеуді алып тастағаннан кейін, электрондар зарядтарының SiO2 диэлектригінің жұқа қабаты арқылы туннельдік өтуі тоқтайды және транзисторға берілген шекаралық ашу кернеу сақталады. Жаңадан жазудың алдында, диэлектрлік қабат бөлімдерінің шекарасынан электрон зарядтарын шығару арқылы, ескі ақпарат өшіріледі, ол үшін транзистордың басқарушы бекітпесі мен құймасына сәйкесінше төмен және жоғары деңгейлі кернеулер беріледі. МНДЖ-транзисторлардағы EEPROM микросхемаларын қайта программалау циклдарының саны  - 104–106.

Жады көлемі шағын EEPROM микросхемалары түрлі адаптерлерді конфигурациялаудың энергияға тәуелсіз жадысы ретінде кеңінен қолданылады. Қазіргі заманғы EEPROM микросхемаларының ішкі құрылымы күрделірек, оған басқару автоматы кіреді. Бұл сыртқы интерфейсті қарапайым түрде жасауға және олардың микропроцессорлық шинаға тікелей қосыуына мүмкіндік береді, сонымен бірге өшіру және верификациялау сияқты қосымша ерекше (қолданушыға қажет емес) операцияларды жасыру мүмкіндігі де қарастырылған. Қорытындылай келе айту керек, ROM  деген ортақ атауға ие барлық тұрақты жадылайтын қүрылғылар, жоғарыда айтылып кеткендей, энергияға тәуелсіз жады құрылғылары болып табылады, яғни қорек көзінен ажыратқаннан кейін де ақпаратты сақтап тұрады. Осы ТЖҚ-ң мұндай қасиеттері  тұтыну қуатын төмендетіп,  оларды эксплуатациялау кезінде жылу режимін жақсартып, қызмет сенімділігін көтеруге мүмкіндік береді.

Импульстік қоректі нұсқада барлық шағынсұлбалардың. СS кірістері бойынша, жұмыс істеулеріне рұқсат етілінген, бірақ қорек көзінің кернеуі жады модулінің (5.30, а-суреттегі оның қарапайым нұсқадағы жасалуы сияқты) барлық микросхемаларына беріле бермейді, ол тек қатынас құрылған микросхемаға, яғни, адрестің үлкен разрядтарын декодтаушы адрестік дешифратормен басқарылатын, кілттің көмегімен таңдалынған микросхемаға ғана беріледі    

(5.30, б-сурет).

              

                        а)                                                                            б)  

 

                  5.30-сурет. Қарапайым нұсқадағы жасалуы (а) және импульстік қоректену  
                                       көзі (б)  бар тұрақты жады микросхемалары

 

Импульстік қорек режимі қорек көзінен келетін энергияны тиімді пайдалану мүмкіндігін бергенімен де, еркін дара қатынас құрулар кезінде ТЖҚ микросхемаларына қатынас құру уақытын ұзартып жібереді, себебі  қорек көзін қосқаннан кейін микросхемалар режимін орнату үшін уақыт қажет.

 

5.7. Флэш-жады

 

Флэш-жады (Flash-Memory) ЖЭ-інің типі және жұмысының негізгі ұстанымы бойынша EEPROM жадысының класына жатады, бірақ одан құрылымдық және архитектуралық ерекшіліктері бар. Флэш-жадыдағы ақпараттың өшірілуі, салыстырмалы жеңіл, жадының бүкіл микросхемасы үшін немесе көлемдері 256 байттан бастап 128 Кбайтты құрайтын (жеткілікті дәрежеде үлкен) блоктармен жүзеге асырылады. Осының арқасында флэш-жадының сұлбасы жеңілдетіледі, кристалдағы орнатылуының жоғарғы тығыздылығы қамтамасыз етіледі, программалау режиміндегі сенімділігі және өнімділігі артады, энергияны пайдалануы және бағасы төмендейді.

Бірақ флэш-жадыда бір сөзді алмастыру бүкіл шағынсұлба үшін қайта жазуды (өшіруді және жаңадан  жазуды) керек етеді, ол көп қолдануларда дұрыс болмайды. Мұндай жағдайда блогты құрылымы бар флэш-жады пайдалы жағынан ерекшеленеді. Флэш-жады үшін қайта программалау циклдерінің саны едәуір үлкен, бірақ қайта жазу кездерінде жады элементтері біртіндеп “тоза” (ақпаратты сақтау қаблеті нашарлай) бастайды.

Флэш-жадының микросхемаларының интерфейсі микропроцессор-лық жүйелерде қолданылатын стандартты сигналдарменен жақсы үйлеседі. Оқудың, жазудың және верификациялаудың ішкі циклдері сыртқы интерфейстің шиналық циклдерінен дербес орындалады, бұл олардың EPROM және EEPROM микросхемаларымен салыстырғанда елеулі артықшылықтары болып есептеледі. Ақпараттық сыйымдылығы және бағасы жағынан EEPROM-дерден  Флэш-жадының микросхемалары тәуірлеу, оларда сөздерді жекелей өшіру керек емес, ал EPROM-ға қарағанда, деректерді өшіруді едәуір тез орындайды және ол үшін арнайы шарттарды және аппаратураны  керек етпейді.

Флэш-жадының көп әртүрлі микросхемалары белгілі. Олардың ішінде Bulk Erase, Boot Block и Flash File микросхемалары кеңінен таралған, бұлар бір-бірінен жады жиынының (массивының) ұйымдастырылу әдісімен, өшіру және блогтарға бөлу әдістерімен, интерфейсі және т. б. бойынша ерекшеленеді.

Bulk Erase микросхемаларында ақпаратты  өшіру тек тұтас жады үшін  жасалады, сондықтан оларды сирек  жаңартылатын деректерді сақтау  үшін пайдаланған жөн. Мұндай, ұйымдастырылуы  бірбайттық, микросхемалардың ең  қажетті параметрлері – ақпараттық  сыйымдылық және оқу жылдамдығы, ал оқу және жазу циклдарының  саны онша маңызды емес.

Әртүрлі салаларда пайдалануға  бейімделген Boot Block и Flash File микросхемалар блогтарға бөлу әдістерімен ерекшеленеді. Бір- және екібайтты ұйымдастырылуы бар және архитектурасы симметриялы емес Boot Block шағынсұлбалары, тәуелсіз өшірілетін, өлшемдері әрүрлі бірнеше блогтардан тұрады. Блогтардың біреуінің оқу және жазудан қорғалуының қосымша құралдары бар.

Архитектурасы симметриялы Flash File микросхемаларында жады массиві, қорғалуы тең құқықты және тәуелсіз өшірілетін, бірдей блогтар жиынтығы түрінде ұйымдастырылған. Микросхемалардың типтеріне байланысты түрлендірілуден қорғану блогтар бойынша немесе тұтас микросхема үшін(төмен деңгейлі программалау Vpp кернеуін беру арқылы) іске асырылуы мүмкін.

Флэш-жадының барлық микросхемаларының негізін, басқа типті ЖҚ-дағы сияқты, жады ұяшықтарының матрицасы (жинақтаушы) құрайды, сұлбатехникалық түрінде ол НЕМЕСЕ-ЕМЕС немесе ЖӘНЕ-ЕМЕС негізінде жүзеге асырылуы мүмкін. НЕМЕСЕ-ЕМЕС негізіндегі жинақтаушылары бар флэш-жадылар құрылымдарында, еркін таңдау кезінде, байттарға(сөздерге) жылдам қатынау қамтамасыз етіледі және сондықтан мұндай жинақтаушылар блогты құрылымы бар шағын-сұлбаларда, мысалы Flash File-да кеңінен қолданылады.

5.31-суретте флэш-жадысының жадтау  элементтерінің (ЖЭ) матрицасының құрылымы  көрсетілген, онда НЕМЕСЕ-ЕМЕС логикалық  функцияны, өзара параллельді қосылынған, қос бекітпелі ЛИЗМОП-транзисторлары  жүзеге асырады. Таңдаудың разрядты  тізбектерінде жоғары оң кернеу  болады. Егер жолды таңдау тізбегінде  төмен деңгейлі кернеу болса, онда бұл жолға қосылған барлық  транзисторлар жабық 

болады. Таңдалған жолдағы (таңдау тізбегінде жоғары деңгейлі кернеу бар) транзисторлар ашылады, егер бұл транзисторлардың “ығыстырушы” бекітпелерінде электрондардың заряды болса.

 

   

 

                 5.31-сурет. Флэш-жадысының НЕМЕСЕ-ЕМЕС негізіндегі   
                                               ЖЭ-інің матрицасының құрылымы